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Erfahrungen aus dem Alltag eines Linux-Anwenders

Fasching, Webhosting bei 1&1 und mein Tränenbecken – I

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1&1 war und ist einer der Platzhirsche in Deutschland, was Web-Hosting angeht. Durch den Zukauf von Strato durch den Mutterkonzern hat sich die Marktdominanz noch erhöht. Auch dieser Blog läuft im Rahmen eines Web-Hosting-Pakets bei 1&1. Das PC-Magazin hat diesen Provider als Hoster im Jahr 2016 ausgezeichnet. 1&1 wirbt selbst viel mit einem guten Kundenservice.

Da ist es doch schön, wenn man die Wirklichkeit, wie sie ein Endkunde erlebt, auch mal mit dem werbewirksamen Anspruch des Unternehmens vergleichen kann. Hierzu bot sich mir in den letzten Tagen eine praxisnahe Gelegenheit – im Auftrag einer Kundin “K” von 1&1, die wir in Web-Angelegenheiten immer wieder betreuen.

Die Geschichte ist einfach zu gut, um sie für sich zu behalten. Sie hinterließ bei mir trotz des munteren Faschingstreibens in den letzten Tagen sehr gemischte Gefühle. Immer wieder fühlte ich mich in eine Art Tragik-Komödie versetzt – auch wenn 1&1 nun endlich eine Lösung für besagte Kundin gefunden zu haben scheint. Die Fastenzeit hat offenbar auch ihr Gutes …

Ich konzentriere mich in diesem Erfahrungsbericht zunächst auf das erlebte Kernproblem meiner Kundin – nämlich die unzureichende Webseiten-Performance – und faktische Ergebnisse von 8 Eskalationsversuchen meiner Wenigkeit.

Das Problem

Kundin “K” hat im letzten Herbst ihre Webseite von uns auf WordPress samt Kadence/Pinnacle-Theme umstellen lassen. Wir haben diese PHP-basierte Technologie verschiedentlich für Kunden im Einsatz. U.a. bei einem weiteren Webhosting-Kunden von 1&1, aber nicht nur dort. Getestet haben wir die erreichbare Performance ursprünglich auf eigenen Webservern unter Stressbedingungen, unter einem 12 Jahre alten Hosting-Vertrag bei Strato und unserem eigenen, ähnlich alten Vertrag bei 1&1. Bislang alles problemfrei.

Nach der Installation lief die Web-Site der Kundin zunächst auch wie erwartet. Antwortzeiten zum Abnahmezeitpunkt zwischen 1.2 und 3 Sek pro Seite – je nach Tageszeit.

Seit dem Jahreswechsel stellte besagte Kundin – nach Beschwerden ihrer eigenen Kundenklientel – jedoch fest, dass die Performance ihrer Site seit Januar immer schlechter wurde und zeitweise “unter aller Sau” war (Zitat; ein später konsultierter 1&1 Berater fand diesen Ausdruck durchaus angemessen).

Punktuelle Zugriffe Mitte/Ende Januar und Mitte Februar aus dem Ausland bestätigten den subjektiven Befund der Kundin. Auf Anforderung der Kundin haben wir das letzte Woche dann genauer überprüft. Während typischer Hauptlastzeiten mussten wir tatsächlich zeitweise Antwortzeiten im deutschen Internet zwischen 10 Sek und 30 Sek pro Webseite feststellen.

Eigene Tests unter einer 1&1-Testdomäne – um Faktoren bessere Antwortzeiten

Wir haben dann selbstverständlich die Site der Kundin für Tests mit identischen PHP-Programmen und (bis auf Links) identische Datenbanktabellen in einen anderen alten 1&1-(!)-Vertrag und auf damit assoziierte Web- und Datenbankserver bei 1&1 gespiegelt. Die Tests ergaben völlig andere Ergebnissen und eine um Faktoren bessere Performance!

Die Kundin hat dieses Ergebnis leider mit großer Verbitterung zur Kenntnis genommen. Sie wollte ihren Vertrag mit 1&1 daraufhin umgehend kündigen und den Anbieter wechseln. Was wegen Mindestvertragslaufzeiten aber zu keiner kurzfristigen Lösung geführt hätte.

Wir selbst vermuteten zunächst eine zu hohe Last auf den 1&1-Datenbankservern. Weitere Tests, die wir im Laufe der Zeit systematisch anstellten, haben diese These jedoch klar widerlegt.

Blieb eigentlich nur eine Überlastung der Webserver oder eine massive Benachteiligung der Kundin im Kampf um die Hosting-Ressourcen bei 1&1 als Erklärungsansatz übrig …

Dazu muss man wissen, dass die Kundin seit 14 Jahren bei 1&1 knapp 12 Euro/Monat für 3 Domänen ohne SSL-Zertifikat abdrückt und sich durchaus als Stammkundin fühlt. In ihrer Jugend war das noch was
wert.

Kontakt zum 24/7-Service von 1&1

Ich wandte mich letzte Woche dann im Auftrag unserer Kundin an 1&1 und hatte seitdem 8 mal Kontakt (zur Hotline und Hosting-Beratern) – mit steigender Eskalationstendenz meinerseits und wachsender Hilflosigkeit der Ansprechpartner (bis auf den letzten). Alle Ansprechpartner konzidierten immerhin ein größeres Problem – der eine oder andere schien geradezu geschockt von den schlechten Antwortzeiten zu sein; erst recht, wenn er dann als Kontrast die Zeiten der gleichen Anwendung auf unserer ebenfalls bei 1&1 gehosteten Testdomäne sah.

Besonders berührt hat das einen 1&1-Mitarbeiter, den wir am Faschingsdienstag um ca 23:00 Uhr konsultierten. Zu diesem Zeitpunkt hatten wir zähneknirschend und ohne jeden Erfolg bereits alle vorhergehenden Ratschläge von 1&1-Mitarbeitern (inkl. einer Vertragsumstellung) befolgt – ohne Erfolg. Der Support-Mitarbeiter hätte angesichts der Fakten gerne die “Techniker” involviert. Leider war trotz 24/7-Service bei der Technik um 23:00 Uhr niemand mehr erreichbar. Alaaf …

Meine Frau vergnügte sich zu diesem Zeitpunkt zu Recht vor dem TV und auf Facebook. Ich musste mir deshalb mein Tränenbecken aus dem Glasschrank selber holen. In weiser Voraussicht ließ ich es auf meinem Schreibtisch stehen.

1&1 empfiehlt der Kundin stereotyp eine Vertragsumstellung – aber dadurch wird zunächst nichts besser

Als Ursache des Dramas wurde von den ersten 5 Ansprechpartnern vor dem 28.02. ein zu alter Vertrag (mit Speicher- und Performance-Einschränkungen) vermutet bzw. unterstellt. Das ist für das erste Gespräch am 23.02. mit einem 1&1-Vertretern eine außerordentlich freundliche Darstellung des Gesprächsverlaufs! Hier half auch mein Freund – das Tränenbecken – nicht mehr; vielmehr musste im Anschluss der “porcelain god” selbst angerufen werden, um mich wieder in Faschingslaune zu versetzen.

Alle nachfolgenden Berater waren dagegen sehr freundlich und ausgesprochen service-minded. Auch wenn das bis heute Mittag keine Wendung zum Besseren zeitigte, möchte ich bei dieser Gelegenheit doch die Ruhe und Besonnenheit der meisten Ansprechpartner (alles Männer) ausdrücklich loben! Die hatten es angesichts der Fakten ja nun wirklich nicht leicht und stießen regelmäßig an ihre Grenzen.

Geredet haben die Mitarbeiter aus dem Support und auch die Hosting-Berater dann viel über Hauptspeicheranforderungen moderner Web-Anwendungen, tolle SSDs in den aktuellen Datenbankservern und die schlimmen Begrenzungen alter 1&1-Verträge. Ich will das hier gar nicht weiter kommentieren. Ich kenne den relativ geringen Hauptspeicherbedarf der PHP-Applikation WordPress mit diversen Plaugins ganz gut; und der Nutzen von SSDs auf einem gut gepufferten und parametrierten MySQL-Datenbankserver entfaltet sich auch erst unter ganz bestimmten Anforderungen. Ich arbeite da zeitweise mit ganz anderen Kalibern an PHP-Anwendungen.

Die technischen Limits zur Ausführung von PHP-Anwendungen, die für den alten Vertrag der Kundin angeblich angewendet würden, konnte aber keiner der Berater zitieren oder belegen. Natürlich konnte auch nicht bestätigt werden, dass die aktuelle Anwendung die gesetzten Limits überschreiten würde. Ein Berater gab auf Rückfrage vielmehr zu, dass er nicht mal Zugriff auf die alten Vertragskonditionen hätte (interne Serverstörung!).

Vielleicht wäre ja aber ein konfigurierbarer Cloud-Server für unsere Kundin das Richtige?? Na, super! Geringfügige Mehrkosten … Ach so … Und wer kümmert sich dann um den Cloudserver und dessen Sicherheit? Und was kostet das dann? …”Oh – ja, Ihre Kosten hatte ich gerade nicht auf dem Radar …” Tja… und bevor ich es angesichts der Vielfalt aktueller 1&1-Angebote vergesse : Wieso genau lief und läuft dieselbe Applikation gehostet unter einem anderen aber ebenso alten Vertrag nochmal so viel besser? Weil ich drei Euronen pro Monat mehr zahle, die allein von den 4,99 Euro für ein SSL-Zertifikat aufgefressen werden?

Jeder der 1&1-Berater wurde von uns über die unterschiedlichen Laufzeitergebnisse zwischen der Domäne der Kundin und einer Testdomäne unter einem anderen ebenso alten Vertrag informiert. Die letzten 4 Berater wurden ferner über die Ergebnisse von Cross-Tests zwischen den verschiedenen Vertragsdomänen und und über Datenbanktests unterrichtet, die den Datenbankserver der Kundin als Ursache ausschlossen. Wir haben die 1&1-Berater ferner darauf hingewiesen, dass in Perioden geringer Last (Faschingssonntag, morgens) auch Antwortzeiten < 2 Sek angeboten wurden – und das die festgestellten schlechten Antwortzeiten offenbar an Zeiten hoher Grundlast für die Webserver gekoppelt waren. Und wir stellten immer wieder die Frage, ob es denn nicht sein könne, dass irgendwo bei 1&1 eine zu hohe Last vorläge und ob denn nicht ein Umzug auf einen anderen ihrer (Web-) Server etwas bringen könne … ?

Mein Tränenbecken füllte sich dann interessanterweise auf magische Weise regelmäßig von selbst, wann immer ich das Stichwort “Stammkundin seit 14 Jahren” in Gesprächen mit dem 1&1-Support anzubringen versuchte. Besonders schnell geschah das, als ein 1&1-Gesprächspartner alte 1&1-Webhosting-Verträge mit alten Telekom-Verträgen verglich. Da würde man für schlechtere Leistung ja auch mehr zahlen als bei einem neuen Vertrag! Gott sei Dank war ein Blumentopf in der Nähe, als mein Freund – das Becken – überquoll. Ach, Deutschland, mein geliebte Servicewüste! Es ist Fasching und ich weiß – ich bin wieder daheim.

Kommentar der 1&1-Technik

Auch die 1&1-“Technik” ( 2nd-level Support ???) wurde dann mal eingeschaltet; das lapidare Resultat entsprechender Anstrengungen kam dann am Faschings-Sonntag per Mail:

Umstellung des Vertrags der Kundin

Nach etlichem Hin und Her (dazu mehr in einem anderen Blog-Beitrag) wurde der Vertrag der Kundin dann tatsächlich (bei Mehrkosten) auf ein aktuelles Paket “Unlimited Plus” umgestellt; dies geschah am 28.02. nach einem Sponsoringversuch durch eine geringfügige Gutschrift für bislang durch “K” in 2 Monaten erduldeten Qualen.

Zu den Erlebnissen während der praktischen Vertragsumstellung im nächsten Beitrag mehr; ich habe mir erneut mehrfach die Auffangschale unter tropfende Augen halten lassen. Eigentlich wollte sich unsere Kundin auf eine Vertragsänderung gar nicht mehr einlassen. Wir haben sie mühsam dazu motivieren müssen. “Alternative Chancen für die Schaffung neuer alternativer Fakten” würden heutzutage ja selbst Präsidenten eingeräumt – und den deutschen Verbraucherschutz könne sie ja immer noch einschalten.

Das traurige Ergebnis der Tarifumstellung war leider:
Von einer Verbesserung konnte weder am 28.02. noch am 01.03. die Rede sein. Am 01.03. wurde auf Anraten eines 1&1-Beraters dan zusätzlich die Datenbank auf einen neuen Datenbankserver des aktualisierten Vertrages verlagert. Effekt: Die Antwortzeiten wurden noch schlechter! Zufall oder System? Oder Faschings-Kater der 1&1-Server?

Das Tränenbecken musste erneut mehrfach ausgekippt werden. Erst recht nach dem darauf folgenden Telefonat mit “K”.

Performance am heutigen Vormittag (02.03.)

Ich stelle nachfolgend den Stand der Performance am heutigen Vormittag in mehreren Tabellen dar. Diese Zeitreihen verdeutlichen das grundsätzliche Problem, das die Kundin seit
Januar hatte, sehr gut; auch wenn hier nur die Spitze des Eisberges schlaglichtartig sichtbar wird.

Die obere Zeile in den nachfolgenden Tabellen entspricht jeweils der Web-Domäne aus dem aktuellen Vertrag “Unlimited Plus” der Kundin [K], die unter einer identisch konfigurierten “Testdomaine” [T] unter einem alten “Business 5.0”-Vertrag.

In beiden Fällen lief zunächst PHP 5.6 und dann (nach einer gezielten Umstellung) PHP 7 auf den gehosteten Web-Servern. Um die Dinge besser vergleichbar zu machen, erfolgte aus der Testdomäne heraus ein Zugriff auf einen Datenbankserver, der dem aktuellen Vertrag der Kundin zugeordnet ist.

Aufgerufen wurde dabei immer dieselben 3 Seiten in 2 Zyklen – abwechselnd für K und T.
Alle Werte in Sekunden !

Zeit 02.03.2017, 11:00 Uhr

K 7,0 3,2 4,4 7,6 3,0 2,7
T 1,1 0,8 0,6 0,9 0,6 0,5

Zeit 02.03.2017, 11:10 Uhr

K 5,9 4,5 6,3 5,9 11,0 6,3
T 0,9 1,9 2,1 2,0 1,1 0,6

Zeit 02.03.2017, 11:14 Uhr

K 11,3 11,3 4,8 7,6 8,9 10,5
T 1,6 1,0 0,7 0,7 0,9 1,3

Zeit 02.03.2017, 11:15 Uhr

K 5,3 9,3 12,8 11,8 8,4 5,4
T 4,3 0,9 1,1 1,0 1,0 1,2

Zeit 02.03.2017, 11:20 Uhr

K 16,0 5,8 9,4 10,2 13,6 14,6
T 0,9 0,9 0,6 0,9 0,8 0,7

Zeit 02.03.2017, 11:25 Uhr

K 15,0 15,5 23,5 21,3 21,4 12,3
T 1,6 1,7 1,0 0,8 0,5 5,6

Zeit 02.03.2017, 11:30 Uhr

K 6,5 8,0 6,6 10,0 8,0 12,1
T 1,5 0,7 2,1 0,9 0,8 0,6

Zeit 02.03.2017, 11:50 Uhr

K 8,5 8,1 7,6 7,8 5,4 5,6
T 0,6 1,2 0,9 0,7 0,6 0,8

Zeit 02.03.2017, 12:00 Uhr

K 15,2 13,3 16,6 11,4 9,2 15,2
T 0,6 1,2 1,2 0,9 0,8 1,0

Ein Kommentar ist eigentlich überflüssig. Antwortzeiten zwischen 6 und 23 Sekunden pro Webseite sind aus Kundensicht unakzeptabel. Erst recht,
wenn man zu einer Vertragsumstellung mit Mehrkosten geradezu genötigt wurde.

Und auch “K” kam sich angesichts der Daten natürlich veralbert vor und fand das einen Tag nach Aschermittwoch ziemlich unangemessen. Ich habe ihr angeboten, ihr zeitweise meine Tränenschale auszuleihen.

Fastenzeit und Licht am Ende des Tunnels

Gestern – am Aschermittwoch – gegen Mittag habe ich dann nochmal bei 1&1 angerufen. Der Mitarbeiter der Hotline verstand das Problem sofort und verglich die 20 Sekunden Antwortzeit auch brav mit der entsprechenden Zeit unserer Testdomäne bei 1&1. Dann gab es ein paar (sehr intelligente) Fragen zur Querverbindung auf die Datenbank der Kundin. Nebenbei studierte er die Kommentare seiner Vorgänger – und bat mich irgendwann, ihm Kommentare dazu zu ersparen. Dann fiel das Wort “Überlast”. Er kam dann mit einem Lösungsvorschlag, für den wir ihm aber 24 Stunden einräumen müssten. Es gab auch eine wenig transparente Bezeichnung des kostenfreien Lösungsansatzes – irgendwas mit “…-Flat” – im Effekt sollte das zu einer “echten” Verschiebung auf andere Server führen. Ach ne …. Der vorhergehende Vertragswechsel hatte einen solchen grundlegenden Wechsel dann wohl nicht bewirkt??? … Hm, und komischerweise sei diese Option bei dem Test-Domänen-Vertrag gar nicht aktiviert …

Es ist Aschermittwoch – und auch ohne die Berichte aus Passau gesehen zu haben, beginne ich zu beten ….

Erlösung

Heute zw. 12.00 und 13:00 Uhr scheint 1&1 dann gerochen zu haben, dass ich an diesem Blog-Artikel schrieb. Jedenfalls flog ich plötzlich aus der FTP-Verbindung zum 1&1-Webspace unserer Kundin raus und kam auch erst wieder rein, nachdem ich eine dynamische IP-Adressbestimmung des 1&1-FTP-Servers in unserer Firewall zuließ. Ein Hinweis auf eine substanzielle Änderung? Erhörung meiner Gebete vom Vortag? Also: neuer Test nach dem obigen Muster. Und plötzlich erhalten wir bereits den ganzen Nachmittag geradezu traumhafte Antwortzeiten. Aktueller Stand:

Zeit 02.03.2017, 17:15 Uhr

K 0,4 0,6 0,6 0,6 0,8 0,4
T 1,0 0,7 1,1 0,6 0,6 0,7

Ich bin jetzt so gerührt, dass ich wieder mein Tränenbecken bemühen muss. Mehr zu einer Bewertung des Vorgang aus ITSM-Sicht daher morgen.

SSD Raid Arrays unter Linux – VIII – Setup von Raid-10-Arrays mit mdadm

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Diese Serie an Posts befasst sich mit SSD-basierten SW-Raid-Systemen auf Linux-Workstations oder kleineren Server-Systemen. In den bisherigen Artikeln der Serie hatten wir uns u.a. mit dem Einsatz von Onboard-SATA3-Controllern auf Mainboards mit Intel-Chipsatz befasst und einen kritischen Blick auf die sog. iRST-Technologie mit “imsm”-Raid-Containern geworfen. Zudem hatten wir ein wenig über die Bootunterstützung im Zusammenspiel mit Grub2 und mögliche, problematische Aspekte von Raid-5-Arrays nachgedacht.

SSD Raid Arrays unter Linux – I – ein facettenreiches Thema
SSD Raid Arrays unter Linux – II – Hardwarecontroller ?
SSD Raid Arrays unter Linux – III – SW- Raid vs. Intel-iRST-Raid – Performance?
SSD Raid Arrays unter Linux – IV – OS und Daten auf einem Raid-Array?
SSD Raid Arrays unter Linux – V – SW-Raid vs. iRST-Raid – Boot-Unterstützung?
SSD Raid Arrays unter Linux – VI – SW-Raid vs. iRST-Raid – Flexibilität?
SSD Raid Arrays unter Linux – VII – problematische Aspekte von Raid-5-Arrays

In diesem Beitrag gehe ich darauf ein, wie ich meine md-basierten Raid-10-Arrays konkret mit Hilfe des Befehls “mdadm” aufsetze (Linux SW-Raid). Dabei diskutiere ich Voraussetzungen und einige wichtige Parameter. Eine Verallgemeinerung der Rezepte auf andere Raid-Varianten wie Raid-5 ist danach relativ einfach.

Voraussetzungen und SSD-Optimierung unter Linux

Da unsere Raid-Arrays aus SSDs zusammengesetzt werden, sind unter Linux einige Regeln zu beachten. Einen guten Überblick geben etwa folgende Artikel:

https://sites.google.com/site/easylinuxtipsproject/ssd
http://www.linux-magazine.com/Issues/2015/172/Tuning-Your-SSD
https://wiki.archlinux.org/index.php/Solid_State_Drives
https://wiki.debian.org/SSDOptimization

Hier einige Punkte, die ich als relevant einstufe:

  1. Auf allen SSDs, die in das Raid-System eingebunden werden, sollte man grundsätzlich ca. 7-12% frei, d.h. ohne Partition, belassen (Overprovisioning).
  2. Ein periodisches Absetzen des TRIM-Befehls “fstrim” per cron-Job ist dem Mounten eines (ext4-) Filesystems mit der “discard”-Option vorzuziehen.
  3. Ext4 sollte als Filesystem verwendet werden (in meinem Fall auf LVM Logical Volumes des Raid-Arrays; s.u.)
  4. Man sollte prüfen, dass die eingesetzten Tools zum Einrichten von Partitionen, LVM und Filesystemen das notwendige Alignment korrekt durchführen (YaST etwa tut dies automatisch, wenn unter den Einstellungen “Optimal” als Option gewählt wurde !)
  5. Partitionen sollte man großzügig anlegen – 25% sollten immer als freier Platz zur Verfügung stehen.
  6. Für LVM sind die Optionen
    “md_chunk_alignment = 1” und “issue_discards = 1”
    in der Datei “/etc/lvm/lvm.conf” zu setzen.
  7. Als Scheduler sollten die Low-Latency-Scheduler “deadline” oder “noop” verwendet werden.
  8. Wahl des AHCI-Modus für den SATA-Contoller (soweit nicht iRST/imsm-Array-Container) konfiguriert werden).

Punkt 1 dient sowohl der Lebensdauer als auch der Performance von SSDs. Bitte beachtet, dass u.a. dieser Punkt gegen den Einsatz der iRST-Technologie für Onboard-Controller spricht. Grund: iRST lässt einem keine Wahl bzgl. der Größe des zweiten Raid-Volumes in einem isms-Raid-Container! Für das zweite Volume wird der gesamte noch verfügbare physikalische Platz der eingebundenen Speichermedien genutzt. Siehe hierzu frühere Beiträge der Serie.

Punkt 2 dient der Performance; der TRIM-Befehl [fstrim unter Linux] ist allerdings auch mit Schreib-/Lösch-Operationen verbunden und belastet daher die SSD. Bei hinreichend großen Partitionen genügt im durchschnittlichen Tagesbetrieb nach meiner Erfahrung ein einmaliges Absetzen von “fstrim” pro Woche, um die Performance aufrecht zu erhalten.

Punkt 3 wird in vielen Internet-Artikeln zu diesem Thema als richtig angesehen, da die Node-Behandlung unter ext4 modernen SSD-Controllern entgegenkommt. Die Bevorzugung von ext4 kann sich jedoch ändern, wenn Btrfs erst einmal einen hinreichenden Reifegrad erhalten hat. Ich ignoriere Btrfs in diesem Artikel, da ich wenig Erfahrung mit diesem Filesystem habe – und die, die ich hatte, waren (noch) nicht gut. Allerdings sind ja auch XFS und zunehmend F2FS sehr populär. Ich behandle auch diese Filesysteme mangels produktiver Erfahrung nachfolgend nicht. Ein Blick in Tests ist aber sicher interessant (s. etwa:
http://www.phoronix.com/scan.php?page=article&item=linux-40-ssd&num=2,
https://www.phoronix.com/scan.php?page=news_item&px=Linux-4.4-FS-4-Way,
https://www.percona.com/blog/2012/03/15/ext4-vs-xfs-on-ssd/,
http://openbenchmarking.org/result/1608041-LO-LINUX44BT99
https://blog.pgaddict.com/posts/postgresql-performance-on-ext4-and-xfs, https://www.phoronix.com/scan.php?page=news_item&px=Linux-4.7-FS-5-Way,
http://infoteh.etf.unssa.rs.ba/zbornik/2016/radovi/RSS-2/RSS-2-8.pdf).
S. aber auch:
https://bbs.archlinux.org/viewtopic.php?id=207938
Die Unterschiede zwischen ext4 und XFS scheinen insgesamt nicht weltbewegend zu sein. Ich ziehe ext4 z.Z. wegen seiner guten Stabilität und wegen seiner guten Wiederherstellungsfähigkeit bei Filesystem-Fehlern im besonderen Btrfs vor. Hinzu kommt, dass ext4 die geringste Schreibbelastung durch Journaling auf die SSDs auszuüben scheint (s. z.B. http://www.ocsmag.com/2016/04/30/using-solid-state-drives-on-linux/).
Ferner ist bei ext4 die Unterstützung des fstrim-Befehls auch dann garantiert, wenn das Filesystem auf einem LVM-Volume und letzteres auf einem Raid-10-Array angelegt wird.

Punkt 4 behandle ich im nachfolgenden Abschnitt genauer.

Punkt 5 dient ebenfalls der Performance: Freie Blöcke des Filesystems stehen hinreichend und zusammenhängend zur
Verfügung; eine Fragmentierung von Linux-Filesystemen wird bei genügend freiem Platz weitgehend automatisch vermieden.

Punkt 6 dreht sich einerseits darum, dass ein Physical Volume, das direkt auf einem md-Raid-Array aufsetzt, automatisch an die zugrunde liegende Raid-Array-Struktur (im besonderen die sog. Chunk Size; s.u.) angepasst wird. Durch den 2-ten Parameter informiert LVM den SSD-Controller ferner über die Freigabe von Platz bei Löschungen oder Verkleinerungen von logischen Volumes. Siehe hierzu:
https://linux.die.net/man/5/lvm.conf,
https://nixaid.com/trim-in-linux-with-ssd-disk-lvm-and-encryption/

Punkt 7 hat damit zu tun, dass bestimmte Linux I/O Scheduler, wie der cfq-Scheduler, versuchen, seek-Zeiten für HDDs zu minimieren. Das ist bei SSDs aber überflüssig und verschwendet sogar CPU-Zeit; Scheduler wie “noop” oder “deadline” verringern dann die Latenz. Siehe hierzu und zur Einrichtung des Schedulers für SSDs die folgenden Links:
http://stackoverflow.com/questions/1009577/selecting-a-linux-i-o-scheduler
https://wiki.debian.org/SSDOptimization

Punkt 8 ist eine Standard-Empfehlung, die vor allem im Gegensatz zu potentiell möglichen “IDE”-Einstellungen zu sehen ist. Siehe etwa:
http://www.phoronix.com/scan.php?page=article&item=intel_linux_ahci&num=1
http://archive.benchmarkreviews.com/?option=com_content&task=view&id=505
Auf Systemen mit einem Intel-SATA3-Controller gibt es im BIOS oft auch die Option “RAID”. Ich habe bei Einrichtung eines reinen md-basierten Linux-SW-Raids auf solchen Systemen keine Performance-Differenzen zwischen den Einstellungen AHCI und RAID feststellen können. Der RAID-Modus fällt wohl auf den AHCI-Modus zurück, wenn der iRST nicht genutzt wird.

Alignment und die Hierarchie der Speicherorganisation

Punkt 4 ist technisch interessant: Hier geht es um die Ausrichtung von Partitions-Grenzen gemäß der definierten Sektorgrößen der HDDs/SSDs (typischerweise 512 Byte) und ein Ausrichten der Blocksize des Filesystems (für ext4 typischerweise 4KB (genauer 4 KiB (4096 Bytes); 1 MiB = 2048 * 512 Bytes) an der zugrunde liegenden Speicherstruktur.

Eine Erläuterung des Themas findet sich hier:
https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/Partition_Alignment
Siehe auch:
https://wiki.ubuntuusers.de/SSD/Alignment/
https://wiki.debian.org/SSDOptimization

Alignment betrifft aber nicht nur Partitionsgrenzen. Alignment ist auf allen Ebenen der HD-/SSD-Speicherorganisation interessant (physikalische Partition, Raid-Array, LVM-Group, LVM-Volume, ext4-Filesystem). Dabei müssen auch Parameter des ext4-Filesystems an die Raid-Speicher-Organisation angepasst werden. In unserem Fall sieht die geplante Hierarchie der Speicherorganisation wie folgt aus:

=> 4 SSDs
=> pro SSD eine unformatierte Raid-Partition (Typ 0xFD)
=> md-Raid-Array mit Striping (je nach Raid-Typ)
=> Eine LVM Volume Group [VG] über das gesamte Raid-Array hinweg; das Raid-Array entspricht dabei einem LVM Physical Volume [PV]
=> Logische LVM Volumes [LVs] mit ext4 Filesystem

Die Anzahl zu lesender und zu schreibender Blöcke für den Erhalt bzw. die Speicherung von Information soll über die gesamte Hierarchie hinweg durch passendes Alignment minimiert werden.

In der Linux-Praxis muss man sich allerdings um ein korrektes Partition-Alignment kaum kümmern. Generell führen “gdisk” und “parted” mit der “-a optimal” Option das notwendige Partition-Alignment korrekt durch. Für Opensuse’s YaST-Partitioner kann man unter dem Punkt “Einstellungen” ein optimales Ausrichten von Partitionen anfordern; das führt intern zum Setzen der Option “-a optimal” für “parted”. [Ich gehe in diesem Artikel davon aus, dass mit einem GPT-Layout der SSDs gearbeitet wird.]

LVM2 (unter YaST) arbeitet ebenfalls korrekt – und allokiert typischerweise 4MiB große “Physical Extends” [PEs]. (Siehe zu LVM2-Grundlagen etwa https://www.thomas-krenn.com/de/wiki/LVM_Grundlagen). Das passt zu allen vorherigen Einstellungen. Typischerweise wird man eine logische Volume-Gruppe [VG] über das gesamte Array anlegen. Durch die oben bereits diskutierten Parameter in der “/etc/lvm/lvm.conf” nimmt das LVM-PV-Layout auch auf die darunter liegende Raid-Array-Speicherorganisation Rücksicht.

Ein potentiell mögliches LVM-Striping von Logical Volumes über die Physikalischen Volumes (PVs) einer Gruppe hinweg fällt in unserem Fall flach: Das Striping wird ja bereits vom md-Raid-Array übernommen.

[LVM-Seitenaspekte: Würden wir aber – was prinzipiell möglich ist – statt md-Arrays LVM-basierte Raid-Arrays einrichten, müssten wir über die sog. LVM-Stripe-Size genauer nachdenken. Die LVM Stripe-Size gibt vor, ab welcher Größe der zu schreibenden Informationsblöcke auf ein neues PV der Logical Volume Group [VG] geschrieben wird. Die Überlegungen, die wir weiter unten zur Chunk Size der md-Raid-Arrays anstellen, sind dazu ganz analog. Interessant wäre übrigens auch ein LVM-Striping über mehrere md-Raid-Arrays (als PVs der VG) hinweg. Auch dann ist die LVM-Stripe-Size von größerem Interesse. Mangels Masse an SSDs habe ich damit aber noch nicht experimentieren können.]

Bleibt noch das Anpassen bestimmter Parameter (stride, stripe-width) des ext4-Filesystems an die darunter liegende Raid-Struktur. (LVM als Zwischenschicht ist diesbzgl. so gut wie transparent!). Erläutert ist dies z.B. hier
https://gryzli.info/2015/02/26/calculating-filesystem-stride_size-and-stripe_width-for-best-performance-under-raid/

Die Filesystem-Parameter (stride, stripe-width) sorgen für eine optimale Gruppierung von Datenblöcken für den Transfer zum bzw. vom Raid-Array. Dabei spielt die sog. Chunk-Size [CS] des Raid-Arrays eine Rolle; diese wird manchmal analog wie bei LVM LVs auch “Stripe-Size” des Raid-Arrays genannt. Ich komme darauf weiter unten genauer zurück. Im Moment mag genügen, dass z.B. der YaST-Partitioner die genannten Parameter korrekt einstellt, wenn ihm die zugrunde liegenden Raid-Array-Parameter bekannt sind.

Dennoch empfehle ich in jedem Fall manuell zu prüfen, ob die Parameter OK sind. Informationen zu den gewählten Parametern eines konkreten ext4-FS erhält man über tune2fs -l, z.B.: 

mytux:~ # tune2fs -l /dev/volssd1/lvssdtest
....
RAID stride:              8
RAID stripe width:        16

 
Wie man die korrekten optimalen Werte anhand des Raid-Typs (hier Raid 10) und der Raid-Chunk-Size bestimmt, erläutere ich in einem Abschnitt weiter unten.

Die Parameter stride und stripe-width können auch im Nachhinein mit Hilfe von tune2fs angepasst werden (s. http://serverfault.com/questions/663066/is-it-possible-to-update-stripe-width-on-an-existing-and-used-ext4-fs).

Weitere Links zum Alignment von
SSD-Raid-Systemen finden sich hier:
http://dennisfleurbaaij.blogspot.de/2013/01/setting-up-linux-mdadm-raid-array-with.html
http://serverfault.com/questions/592149/ssd-software-raid-alignment-necessary
https://www.percona.com/blog/2011/06/09/aligning-io-on-a-hard-disk-raid-the-theory/
https://raid.wiki.kernel.org/index.php/RAID_setup

Welche Kernelversion?

Vor einem Monat hätte ich diesen Absatz noch nicht geschrieben. Inzwischen habe ich aber Tests von Raid-Arrays auf verschiedenen Systemen mit Opensuse Leap 42.1, 42.2, Opensuse Tumbleweed, Debian Jessie und verschiedenen Kernelversionen [4.1, 4.4, 4.7] durchgeführt. Leider ist die Performance von Raid-Arrays, ja sogar der zugrunde liegenden Einzel-SSDs dabei keineswegs eine Konstante. Woran das liegt, ist mir z.Z. ein Rätsel.

Im Moment spreche ich mich bei einem Vorhaben mit SSD-Raid-Arrays aufgrund eigener Tests aber noch klar für die Kernel-Version 4.1 aus.

Das ist aus meiner Sicht diejenige Kernelversion, die in Tests (z.B. mit FIO) konsistent die höchsten Durchsatzraten mit geringster Variationsbreite bietet. Spätere Kernelversionen haben entweder Fehler bzgl. md-Raid-10-Arrays (4.2, 4.3; s. https://wiki.archlinux.org/index.php/RAID) oder liefern seltsam schwankende Performancedaten (s. https://bugzilla.kernel.org/show_bug.cgi?id=191881).

Schritt 1 zum SW-Raid10-Array: Anlegen von Raid-Partitionen auf den SSDs

In meinem Fall sind die 4 SSDs unter /dev/sda, /dev/sdb, /dev/sdc, /dev/sdd ansprechbar. Auf diesen Platten lege ich auf einem System mit UEFI-BIOS zunächst je eine erste efi-Partition (Fat16) an. Dies ist nur eine Vorsichtsmaßnahme für den Fall, dass ich später doch mal eine bootbare Partition in einem der SW-Raid-Arrays selbst anlegen will (s. hierzu die früheren Artikel dieser Serie).

Danach habe ich auf den SSDs für das nachfolgende Beispiel mit Hilfe von “mkfs” je eine weitere unformatierte Partition “/dev/sda[bcd]2” des Typs “0xFD Linux Raid” angelegt. “parted” liefert danach folgende Infos für z.B. “/dev/sdb”; dabei kann die 3-te zusätzlich vorhandene Test-Partion ignoriert werden. Im Moment ist nur die zweite Partition relevant. 

(parted) print /dev/sdb
Model: ATA Samsung SSD 850 (scsi)
Disk /dev/sda: 500GB
Sector size (logical/physical): 512B/512B
Partition Table: gpt
Disk Flags: 

Number  Start   End    Size    File system  Name     Flags
 1      1049kB  189MB  188MB   fat16        primary  boot
 2      189MB   226GB  225GB                primary  raid
 3      226GB   253GB  26.8GB               primary  raid

 
Warum habe ich die Partition 2 unformatiert gelassen? Weil ich später eine flexible Partitionierung des Raid-Arrays über LVM erreichen will!

Alignment Checks:
Die logische und physikalische Sektorgröße der Samsung EVO 850 ist 512 Byte. Passen dazu die Partitionsgrenzen? Das bekommt man z.B. mit Hilfe von parted heraus. 

(parted) align-check                                                      
alignment type(min/opt)  [optimal]/minimal? optimal                       
Partition number? 2                                                     
  
2 aligned
(parted)

 
Wie sieht der Output von fdisk aus? 

fdisk -l -u /dev/sdb
Disk /dev/sdb: 465.8 GiB, 500107862016 bytes, 976773168 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: gpt
Disk identifier: 3BFE79AE-FA81-474E-BB76-082C630414ED

Device         Start       End   Sectors  Size Type
/dev/sdb1       2048    368639    366592  179M EFI System
/dev/sdb2     368640 440774655 440406016  210G Linux RAID
/dev/sdb3  440774656 493211647  52436992   25G Linux RAID

 
Und was sagt sfdisk? 

sfdisk -d /dev/sdb
label: gpt
label-id: 3BFE79AE-FA81-474E-BB76-082C630414ED
device: /dev/sdb
unit: sectors
first-lba: 34
last-lba: 976773134

/dev/sdb1 : start=        2048, size=      366592, type=C12A7328-F81F-11D2-BA4B-00A0C93EC93B, uuid=2B60DB9C-3DE1-45AC-80FC-A51657CA5E49, name="primary"
/dev/sdb2 : start=      368640, size=   440406016, type=A19D880F-05FC-4D3B-A006-743F0F84911E, uuid=2F85AE30-BE40-4D49-BE4C-F240EDF48289, name="primary"
/dev/sdb3 : start=   440774656, size=    52436992, type=A19D880F-05FC-4D3B-A006-743F0F84911E, uuid=8A67ED48-0BE2-4E83-8803-F7A42D91F3CF, name="primary"

 
Man sieht, dass die erste (efi-) Partition auf 1MiB (2048 sectors) ausgerichtet ist. Auch alle anderen Partitionen liegen offenbar genau auf Sektorgrenzen.

Analog verfährt man für die anderen SSDs. Unter Opensuse kann man zum Einrichten der Partition bequem YaST’s Partitioner verwenden. Bei der Verwendung der Kommandozeile nicht vergessen, die für Raid-Arrays bestimmte GPT-Partitionen auf den Typ 0xFD zu setzen! (genauer: 0xFD00; s. hierzu https://raid.wiki.kernel.org/index.php/Partition_Types).

Schritt 2 zum SW-Raid10-Verbund: Festlegen bestimmter Parameter des Kommandos “mdadm” – Chunk Size, bitmap, layout

Nun wird es Zeit, das Raid-Array zu definieren. Unter Opensuse könnte man das z.B. mit Hilfe von YaST’s Partitioner machen. Davon rate ich aber explizit ab, weil YaST leider nur Standardparameter setzt und keine abweichende Setzung ermöglicht.

Vielmehr ist der Befehl “mdadm” mit bestimmten Parametersetzungen anzuwenden. Es gibt beim Anlegen von Raid-10-Arrays mit mdadm vor allem 3 Parameter, die für die Performance interessant sind:

  • Parameter “chunk“, für die Festlegung der sog. “Raid Chunk Size” [CS],
  • Parameter “bitmap“; der legt fest, ob Daten in Transferprozessen besonders markiert werden; er kann später eine evtl. mal notwendig werdende Resynchronisation von Raid-Arrays beschleunigen. Er kostet aber auch Schreib-Performance.
  • Parameter “layout” zur Festlegung des sog. Near-, Far- oder Offset-Layouts eines Raid-10-Arrays

Zur Bedeutung der Chunk Size des Raid-Arrays

Die Chunk-Size legt fest, ab welcher atomaren Größe Information statt auf genau eine auch auf weitere Platten des Raid-Systems geschrieben wird. Ich zitiere von “https://raid.wiki.kernel.org/index.php/RAID_setup“:

The chunk-size deserves an explanation. You can never write completely parallel to a set of disks. If you had two disks and wanted to write a byte,
you would have to write four bits on each disk. Actually, every second bit would go to disk 0 and the others to disk 1. Hardware just doesn’t support that. Instead, we choose some chunk-size, which we define as the smallest “atomic” mass of data that can be written to the devices. A write of 16 kB with a chunk size of 4 kB will cause the first and the third 4 kB chunks to be written to the first disk and the second and fourth chunks to be written to the second disk, in the RAID-0 case with two disks. Thus, for large writes, you may see lower overhead by having fairly large chunks, whereas arrays that are primarily holding small files may benefit more from a smaller chunk size. ….
For optimal performance, you should experiment with the chunk-size, as well as with the block-size of the filesystem you put on the array. For others experiments and performance charts, check out our Performance page…

Die man-Seite zu mdadm offenbart, dass die Chunk-Size in KiB definiert wird. Viele Artikel zu SW-Raid im Internet empfehlen eine Chunk-Size von ≥ 512KiB. 512KiB ist übrigens auch die Default-Einstellung von “mdadm” (welche z.B. auch von YaST herangezogen wird).

Aber ist diese Einstellung auch wirklich gut?
Mißtrauisch sollte einen u.a. die Tatsache machen, dass z.B. Intel bei der Anlage von imsm-Raid-Containern mittels iRST als Default eine viel kleinere Chunk Size von nur 32KiB wählt. Interessant, nicht wahr?

Nun erhält man bei einem Raid-10-System (im sog. NN-Layout; s.u.) ohne Pufferung maximal zweifache Schreib- und Lese-Geschwindigkeiten gegenüber dem Zugriff auf nur eine SSD. Diese Geschwindigkeitsvorteile sind offenbar aber durch einen einzelnen Raid-Zugriff nicht erreichbar, wenn die zu schreibenden oder zu lesenden Informationseinheiten kleiner oder gleich der Chunk-Size sind. Hiermit stellt sich also die Frage nach dem durchschnittlichen Lastprofil für das Raid-Array! Müssen im mittel kleine oder große Datenpakete zum/vom Array transferiert werden?

Was einem in diesem Zusammenhang auch noch einfällt, ist Folgendes:
Es wird vermutlich einen großen Unterschied machen, ob mehrere Jobs des Betriebssystems gleichzeitig Schreib- oder Lese-Operationen verlangen oder ob nur 1 Job sporadisch kleine Informationseinheiten abgreift bzw. schreibt. So wie im letzteren Fall etwa ein (virtualisiertes) Betriebssystem oder ggf. sequentielle Datenbanktransaktionen. Bei mehreren parallelen Jobs kann das System die Daten dagegen zu größeren Transfer-Einheiten bündeln.

So wird es auf einem Fileserver mit vielen Usern und bei statistischer Verteilung von Filedaten über die 2 effektiven Platten des Raid-Systems eine große Chunk-Size eher von Vorteil sein – auch wenn pro Job deutlich kleinere Dateibrocken vorliegen. Im Schnitt über alle Jobs liest man dann immer noch von oder schreibt auf 2 Platten gleichzeitig. Bei einer Linux-Workstation, auf der ggf. ein virtualisierter KVM-Gast ausgeführt wird, kann das aber ganz anders aussehen. Zudem besitzen aktuelle SSDs auch noch einen internen Write Cache, der einem dazwischenfunken kann.

Man muss also die konkrete Festlegung der Chunk Size auf sein Zielszenario und die dort gegebenen Verhältnisse anpassen. Bislang habe ich euch noch keine quantitativen Informationen über den Einfluss der Chunk Size geliefert. Im nächsten Beitrag dieser Serie werde ich aber Messdaten und Anhaltspunkte dafür liefern, dass eine CS von 32KiB gar kein so schlechter Kompromiss ist – zumindest für die Kernelversion 4.1.

Übrigens: Man kann die Chunk Size für ein SW Raid Array bei Bedarf im Nachhinein ändern. Das kostet aber erhebliche (!) Zeit, da das Raid-System umgeschrieben werden muss und es während dieser Zeit auch potentielle Ausfälle verkraften muss. Dafür müssen aufwändige Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Siehe hierzu etwa:
https://forum.ubuntuusers.de/topic/chunksize-bei-mdadm-raid5-onthefly-aendern/
http://serverfault.com/questions/186518/is-it-possible-to-change-the-raid5-chunk-size-of-an-existing-device

Performance-relevant ist natürlich auch, dass die Chunk Size ein ganzzahliges Vielfaches der Blockgröße des Filesystems sein sollte. Im Beispiel dieses Artikels wähle ich

–chunk=32

Zur Bedeutung des “bitmap“-Parameters

Im letzten Artikel hatte ich ein Szenario beschrieben, in dem eine Platte eines Raid-5-Arrays ausfiel, weil ein SATA-Kabel locker saß. Für solche Fälle können sog. “Bitmaps” helfen, die Rebuild Zeit drastisch zu verkürzen. Hierbei werden bestimmte Raid Chunks, die sich im “Transaktionsstatus” befinden, zunächst als “unclean” markiert. Nach Abschluss der Schreibaktion dagegen als “clean”. Durch Zeitstempelvergleiche müssen bei einem nur temporären Ausfall einer Platte (Timeout; verursacht z.B. durch unsaubere Kabelkontakte oder Systemfehler/Systemcrashes) dann nicht alle Blöcke des File-Arrays rekonstruiert werden, sondern nur die als “unclean” markierten.

Zitat aus https://raid.wiki.kernel.org/index.php/Write-intent_bitmap:

When an array has a write-intent bitmap, a spindle (a device, often a hard drive) can be removed and re-added, then only blocks changes since the removal (as recorded in the bitmap) will be resynced. Therefore a write-intent bitmap reduces rebuild/recovery (md sync) time if:
     * the machine crashes (unclean shutdown)
     * one spindle is disconnected, then reconnected.
If one spindle fails and has to be replaced, a bitmap makes no difference.

Aber: die entsprechenden Bitmap-Informationen müssen bei jeder Plattentransaktion auch geschrieben werden. Das kostet Performance; siehe http://blog.liw.fi/posts/write-intent-bitmaps/. Durch Verlagern der Bitmap auf außerhalb des Raid-Systems liegende gepufferte Datenträger kann man die Write-Performance erhöhen. Interne Bitmaps verringern die Schreib-Performance wirklich spürbar – nämlich bis zu 30%.

Nun legt z.B. die Raid-Verwaltung von YaST’s Partitioner unter Opensuse leider automatisch eine interne Bitmap an, ohne dass man dies unter YaST beeinflussen könnte. Daher sollte man den “bitmap”-Parameter lieber direkt mit dem mdadm-Befehl unter Kontrolle bekommen.

Da die Rekonstruktion von Raid-10-SSD-Arrays im (NN-Layout) recht schnell von statten geht und sich dabei im Gegensatz zu Raid-5 auch die Schreiboperationen in Grenzen halten, verzichtet man für eine optimale Write-Performance von Raid-10-Arrays über SSDs eher ganz auf das Anlegen einer Bitmap. Meine Wahl für die zugehörige Option des mdadm-Befehls ist also (s. zur Syntax die man-Seite zu mdadm):

–bitmap=none

Erwähnt sei hier, dass das Anlegen von imsm-Raid-Containern mit Hilfe von BIOS-Funktionen (iRST) für den Z170-Sunrise Point-H Sata Controller) von Intel nicht zum automatischen Anlegen einer Bitmap führt. Bei Performancevergleichen zwischen reinen SW-Raids und iRST/imsm-Fake-Raids ist das zu berücksichtigen. Dabei gilt nach eigenen Tests:

Ein mit Hilfe vom mdadm angelegtes reines SW-Raid ist ohne Bitmap mindestens so schnell wie ein mit BIOS-Funktionen angelegter iRST/imsm-Raid-10-Container am gleichen SATA3-Controller.

Zur Bedeutung des Layouts für md-basierte SW-Raid-10-Arrays

Man kann sich Raid-10 z.B. als eine Kombination
aus Raid 1 und Raid 0 vorstellen (Stripe of Mirrors). Aber das “raid10”- und das “md_mod”-Modul für “komplexe” SW-Raid10-Arrays unter Linux erlauben über eine spezifische, direkte Raid-10-Umsetzung interessante zusätzliche Dinge. U.a. kann man Daten über verschiedene Bereiche der beteiligten Platten so verteilen, dass im optimalen Fall immer mehr als 2 effektive Platten die Leseperformance beeinflussen. Man spricht dann von sog. “Raid10-Layouts”:

  • das sog. Near Layout entspricht im wesentlichen einem konventionellen Raid-1+0-Layout.
  • Dass Far-Layout und Offset-Layout verteilen die Daten dagegen versetzt über die die Laufwerke; man nähert sich dadurch bzgl. des Lesens einem Striping über 4 Disks an. Das erhöht die Leseperformance drastisch in Richtung eines Raid-5-Systems – es kann aber zu Lasten der Schreib-Performance aufgrund zusätzliche Seek-Zeiten gehen.

Bzgl. der präzisen Organisation über verschiedenen Platten bzw. Plattenbereiche hinweg unterscheiden sich die Layouts deutlich. Das beeinflusst nicht nur die Performance: So ist dass Offset-Layout weniger gegen Ausfälle gewappnet als das Near- oder Far-Layout.

Wer mehr über unterschiedliche Layouts von md-Raid-10-Arrays erfahren möchte, kann etwa folgende Artikel zu Rate ziehen, die die Datenveteilung über die beteiligten Devices z.T. mit schönen Grafiken erklären:

http://www.ilsistemista.net/index.php/linux-a-unix/35-linux-software-raid-10-layouts-performance-near-far-and-offset-benchmark-analysis.html?start=1
https://www.suse.com/documentation/sles10/stor_admin/data/raidmdadmr10cpx.html
http://serverfault.com/questions/139022/explain-mds-raid10-f2
http://xmodulo.com/setup-raid10-linux.html
http://blog.jamponi.net/2007/12/some-raid10-performance-numbers.html

Der Leser muss sich für ein bestimmtes Layout entscheiden – und sollte die Performanceunterschiede idealerweise vorher mit Hilfe von Test-Arrays ermitteln. Mir persönlich kommt es auf gute Schreibperformance auch im Random-Bereich an. Ich verhalte mich daher konservativ und nutze das N2-Layout (also ein Near-Layout):

–layout=n2

Das ist übrigens auch der Defaultwert von mdadm.

Schritt 3 zum SW-Raid10-Array: Zusammenbinden der Raw-Partitionen der SSDs mittels “mdadm”

Wir sind nun soweit, den mdadm-Befehl abzusetzen. Danach wird Linux sofort beginnen, das Raid-Array aufzubauen; dies entspricht einem erstmaligen Synchronisationsprozess. 

mdadm --create --verbose /dev/md127 --level=raid10 --bitmap=none --chunk=32 --layout=n2 --raid-devices=4 /dev/sda2 /dev/sdb2 /dev/sdc2 /dev/sdd2

 
Das Raid Device sollte hier mit “/dev/mdijk” bezeichnet werden. “ijk” steht dafür für drei Ziffern. Ein Device mit denselben Ziffern sollte es natürlich noch nicht geben (Check etwa mit cat /proc/mdstat). Daneben kann man dem Device aber auch noch einen echten “Namen” geben (s.u.).

Ist das Raid Array fertig sychronisiert, so zeigt einem etwa ein Blick in “/proc/mdstat”: 

mytux:~ # cat /proc/mdstat
Personalities : [raid10] [raid6] [raid5] [raid4] 
md127 : active raid10 sdc2[
2] sdb2[1] sdd2[3] sda2[0]
      440143872 blocks super 1.2 32K chunks 2 near-copies [4/4] [UUUU

 

Optionaler Schritt 3.1 zum SW-Raid10-Verbund: Beschleunigung des initialen oder eines (Re-) Synchronisations-Prozesses

Die Synchronisation der Disks oder Partitionen, aus denen ein Array besteht, erfordert Zeit und belastet natürlich CPU wie I/O-Subsysteme. Wie für echte HW-Raid-Controller gibt es daher auf für SW-Raids Parameter, die es erlauben, die Performance der entsprechenden Hintergrundsprozesse zu steuern. Defaultwerte sorgen meist für eine sehr geringe Zusatzbelastung zum laufenden Linux-Betrieb.

Ich setze auf meinem System daher regelmäßig zwei relevante Parameter (speed_limit_max, speed_limit_min) nach oben – dies führt zu einer substanziellen Beschleunigung des Sync-Vorgangs, der für Raid10-SSD-Arrays mit effektiven 400GB auf modernen Systemen deutlich unter 5 Minuten abgeschlossen werden kann. Bei Default-Einstellungen würde das viel länger dauern.

echo 500000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_max
echo 200000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_min

Das kann man auch während des laufenden Sync-Prozesses absetzen. Wie sich das auf die Sync-Performance auswirkt, kann man etwa an folgendem Output für ein anderes Array auf einem anderen System ablesen: 

alpha:~ # echo 500000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_max
alpha:~ # echo 200000 > /proc/sys/dev/raid/speed_limit_min
alpha:~ # cat /proc/mdstat
Personalities : [raid10] 
md_d0 : active raid10 sdd3[3] sdc3[2] sdb3[1] sda3[0]
      167651328 blocks super 1.2 512K chunks 2 near-copies [4/4] [UUUU]
      [===>.................]  resync = 16.3% (27408896/167651328) finish=6.0min speed=384214K/sec
      
unused devices: <none>
alpha:~ # cat /proc/mdstat
Personalities : [raid10] 
md_d0 : active raid10 sdd3[3] sdc3[2] sdb3[1] sda3[0]
      167651328 blocks super 1.2 512K chunks 2 near-copies [4/4] [UUUU]
      [===>.................]  resync = 18.8% (31654272/167651328) finish=4.6min speed=486124K/sec
      
unused devices: <none>
alpha:~ # cat /proc/mdstat
Personalities : [raid10] 
md_d0 : active raid10 sdd3[3] sdc3[2] sdb3[1] sda3[0]
      167651328 blocks super 1.2 512K chunks 2 near-copies [4/4] [UUUU]
      [===>.................]  resync = 19.3% (32462592/167651328) finish=4.2min speed=525478K/sec

 
Man beachte das schnelle Ansteigen des “speed”-Wertes nach Anheben der Werte von “speed_limit_max” und “speed_limit_min”.

Optionaler Schritt 3.2: Explizite Benennung des Raid Arrays mittels der “mdadm”-Option “–name”

Eine explizite Benennung des Raid-Arrays setzt die Verwendung der Option “–name” voraus. Siehe hierzu die man-Seiten zu mdadm. Der dafür angegebene String schlägt sich in einem Devicenamen unter /dev/md/name nieder.

Beispiel – wir benennen nachfolgend das Device mit “d00”: 

mdadm --create /dev/md127 --name=d00 --level=raid10 --bitmap=none --chunk=32 --layout=n2 --raid-devices=4 /dev/sda2 /dev/sdb2 /dev/sdc2 /dev/sdd2

 

Das Array “/dev/md127” erscheint dann wie folgt 

mytux:~ # cat /proc/mdstat
md127 : active raid10 sdb2[1] sdd2[3] sda2[0] sdc2[2]
      440143872 blocks super 1.2 32K chunks 2 near-copies [4/4] [UUUU]

mytux:~ # mdadm --detail /dev/md127
/dev/md127:
        Version : 1.2
  Creation Time : Fri Dec  2 12:07:25 2016
     Raid Level : raid10
     Array Size : 440143872 (419.75 GiB 450.
71 GB)
  Used Dev Size : 220071936 (209.88 GiB 225.35 GB)
   Raid Devices : 4
  Total Devices : 4
    Persistence : Superblock is persistent

    Update Time : Fri Jan 13 14:56:39 2017
          State : clean 
 Active Devices : 4
Working Devices : 4
 Failed Devices : 0
  Spare Devices : 0

         Layout : near=2
     Chunk Size : 32K

           Name : mytux:d00  (local to host mytux)
           UUID : 96fc09a4:f70044d1:4258b0dd:bdfb2b81
         Events : 19

    Number   Major   Minor   RaidDevice State
       0       8        2        0      active sync set-A   /dev/sda2
       1       8       18        1      active sync set-B   /dev/sdb2
       2       8       34        2      active sync set-A   /dev/sdc2
       3       8       50        3      active sync set-B   /dev/sdd2

 

Tatsächlich findet man folgende Verlinkung vor: 

mytux:~ # ls -la /dev/md  
total 0
....
lrwxrwxrwx  1 root root     8 Jan 13 16:10 d00 -> ../md127
....

 

Warum braucht man das?
Ich habe darüber auch eine Weile gerätselt, bis mir aufgefallen ist, dass ein und dasselbe Raid-Array “/dev/md127” bei einem Neustart des Systems auch mal als “/dev/md126” erscheinen kann. Stellt sich die Frage, wer eigentlich beim Booten die Devicenamen festlegt. Antwort: “udev“.

Offenbar gibt es hierbei aber Freiheitsgrade. Daher die explizite Namensgebung, um Eindeutigkeit zu schaffen. Nimmt ein User keine explizite Namensvergabe vor, so greifen bestimmte Regeln. Aus “/dev/md129” wird dann etwa der Name “129” (mit dem eindeutigen Device “/dev/md/129”).

Da der Name mit anderen Raid-Informationen im Superblock der beteiligten Partitionen hinterlegt wird, kann das Device /dev/md/name immer eindeutig rekonstruiert werden.

Wichtig wird dies etwa bei gezielt vorgenommenen Einträgen in der “/etc/fstab”. Da “/dev/md/name” eindeutig ist, kann man in der “/etc/fstab” damit operieren. Z.B., wenn man das Raid Array mit einem Filesystem versehen hat. Allerdings gilt: Best Practice wäre in der “/etc/fstab” die Nutzung der UUID, die dem Raid Array auch zugeteilt wird – wie man oben sieht.

Der YaST-Partitioner zeigt die Raid-Devices übrigens immer unter dem jeweils vergebenen Namen an.

Dennoch muss ich sagen, dass ich die Logik der Namensvergabe unter mdadm bis heute nicht völlig verstanden habe. Es werden nämlich auch Einträge zu den benannten Raid Arrays in der Datei “/etc/mdadm.conf” vorgenommen (Opensuse; Einstellung des Ortes der Datei über sysconfig. Auf anderen Systemen liegt mdadm.conf möglicherweise unter “/etc/mdadm/mdadm.conf”). Diese Datei wird bei Existenz beim Booten ggf. für das “Assemblen” eines Raid Arrays herangezogen.

Im Besonderen kann es dann zu Problemen kommen, wenn Raid Arrays unter einer bestimmten Betriebssystem-Installation auf der gleichen Hardware-Plattform erzeugt, modifiziert und dann unter einer anderen Betriebssystem-Installation weiterverwendet werden sollen. Manuelle Korrekturen der Datei mdadm.conf nimmt man etwa mit dem sukzessiven Absetzen von befehlen der Art

mdadm -Db /dev/md/name >> /etc/mdadm.conf

für alle Raid-Array Devices vor. Oder alternativ und gleichzeitig für alle Arrays :

mdadm –detail –scan >> /etc/mdadm.conf

Die alten Einträge zu Raid Arrays in der Datei sollte man natürlich löschen. Nach einer manuellen Korrektur von mdadm.conf sollte man unter bestimmten Betriebssystemversionen zur Sicherheit zudem auch noch “mkinitrd” bzw. “update-initramfs -u” laufen lassen – je nachdem wie das “initramfs” angelegt wird.

Der Kernel braucht die Datei “mdadm.conf” allerdings nicht zwingend; er kann die notwendigen Infos
auch direkt aus Superblock-Informationen der beteiligten Raid-Partitionen auslesen.

Ich bin bisher ganz gut damit gefahren, den “–name”-Parameter explizit zu verwenden, udev werkeln zu lassen – und bei Inkonsistenzen oder Problemen beim Wechsel zwischen verschiedenen Betriebssystem-Installationen die jeweilige “/etc/mdamd.conf” ganz zu löschen.

Empfehlung
Ich empfehle, als Namen immer explizit eine 3-stellige Nummer anzugeben – z.B. –name=127. “udev” richtet nimmt dann auch die Anlage des Devices als “/dev/md127” vor. Also: 

mdadm --create /dev/md127 --name=127 --level=raid10 --bitmap=none --chunk=32 --layout=n2 --raid-devices=4 /dev/sda2 /dev/sdb2 /dev/sdc2 /dev/sdd2

 
Das funktioniert gut – auch über verschiedene Betriebssysteminstallationen und mdadm-Versionen hinweg.

Umbenennung eines Arrays:
Der Name eines Arrays kann im Nachhinein noch geändert werden. Siehe
http://askubuntu.com/questions/63980/how-do-i-rename-an-mdadm-raid-array
http://www.unixbulletin.com/rename-an-mdadm-raid-array/

Wie geht man dabei vor? Nehmen wir ein Beispiel-Array, dem die Bezeichnung “–name=d00” mitgegeben wurde. Wir wollen das Array künftig unter “/dev/md126” bzw. “/dev/md/126” ansprechen. Folgende Befehlskette ist für die Umbenennung nötig. 

mytux:~ # mdadm --stop /dev/md/d00
mytux:~ # mdadm --assemble /dev/md/126 --name=126 --update=name /dev/sda2 /dev/sdb2 /dev/sdc2 /dev/sdd2
mytux:~ # mdadm -Db /dev/md/126 >> /etc/mdadm.conf

 
Danach:

  • Löschen alter Einträge für d00 in /etc/mdadm.conf.
  • Dann Reboot.

Links zum Thema der Raid-Array-Benennung
https://bugzilla.redhat.com/show_bug.cgi?id=606481
https://bugzilla.redhat.com/show_bug.cgi?id=1201962
http://serverfault.com/questions/494569/mdadm-raid-device-name-changed-on-reboot
https://ubuntuforums.org/showthread.php?t=2265120
http://unix.stackexchange.com/questions/23879/using-mdadm-examine-to-write-mdadm-conf
https://wiki.ubuntuusers.de/Software-RAID/
http://unix.stackexchange.com/questions/80501/no-etc-mdadm-conf-in-centos-6
http://askubuntu.com/questions/63980/how-do-i-rename-an-mdadm-raid-array

Schritt 4 zum SW-Raid10-Array: Anlegen einer LVM2 Volume Group und Logical Volumes

Nun könnte man das Array “/dev/mdxxx”, wenn man will, direkt formatieren und mit einem ext4-Filesystem versehen. Ich ziehe aus Flexibilitätsgründen aber vor, LVM einzusetzen. Das Anlegen von LVM Volume Groups und LVM Volumes erfolgt nach Lehrbuch. Ich gehe hier aus Platzgründen nicht auf Details ein. Standardparameter können herangezogen werden.

Auf das Setzen der Parameter

“md_chunk_alignment = 1” und “issue_discards = 1”

in der Datei “/
etc/lvm/lvm.conf” hatte ich bereits hingewiesen. Siehe hierzu auch :
http://pof.eslack.org/2013/01/12/ssd-alignment-on-linux-with-ext4-and-lvm/
Unter Opensuse kann man erneut YaST’s Partitioner zum bequemen Anlegen der Volume Groups und Volumes verwenden.

Schritt 5 zum SW-Raid10-Array: Berechnung und Check der Parameter stride und stripe-width des ext4-Filesystems

Bleibt noch, entweder das Raid-Array direkt zu oder angelegte LVM Logical Volumes mit einem ext4-Filesystem zu versehen. Wir hatten schon erwähnt, dass dabei folgende Größen berücksichtigt werden sollten:

  • Raid-Chunk-Size [CS]: Die Menge an Daten, die auf ein Laufwerk (genauer eine laufwerksbezogene 0xFD-Partition) des Raid-Arrays geschrieben wird, bevor ein Wechsel des Laufwerks erfolgt (s.o.). je nach Striping des Raid-Arrays kann dabei auf mehrere Laufwerke gleichzeitig geschrieben werden.
  • Block-Size [BS] des Filesystems : Das ist die Größe der Dateisystemblöcke in Bytes. Typisch unter Linux: 4096 Byte (4 KiB).
  • Stride-Size [STS] des Filesystems: Entspricht der Chunk Size als Vielfachem der BS. Bei 32 KiB Chunk Size mit 4 KiB Blöcken ergibt sich STS = 32 KiB/ 4 KiB = 8. Für eine Chunk-Size von 512KiB : STS = 128.
  • stripe-width [SW] des Filesystems: Entspricht der Menge an Blöcken, die insgesamt geschrieben wird, wenn volle Chunks parallel auf die Laufwerke des Raid-Arrays geschrieben werden. Diese berechnet sich daher als
    STS * Anzahl der effektiv nutzbaren Disk-Partitionen [ENDP].

In eckigen Klammern habe ich dabei Abkürzungen angegeben, die ich nachfolgend in Formeln verwende.

Diese Größen gehen in die notwendige Berechnung der stride– und stripe-width-Parameter des ext4-Filesystems ein. Ist N die Zahl der eingesetzten Raid-Disks (bzw. der zugrunde liegenden Partitionen), so gilt für die Anzahl effektiv nutzbarer Devices ENDP :

ENDP = N/2 für Raid 10 Systeme
ENDP = N-1 für Raid 5 Systeme

Also:

  • Bei einem Raid 10 mit (Partitionen von) 4 SSDs: ENDP = 2.
  • Bei einem RAID 5  mit (Partitionen von) 4 SSDs : ENDP = 3.

Für eine Chunk-Size von 32 KiB ergibt sich auf einem Raid-10-System mit 4 SSDs also:

SW = STS * ENDP = 8 * 2 = 16

Einen Online-Calculator findet man hier: https://busybox.net/~aldot/mkfs_stride.html

Wie man diese Parameter bei Anwendung des mkfs-Befehls einsetzt, entnimmt man der man-Seite zu mkfs.ext4. Siehe hierzu die Option “-E” mit nachfolgenden komma-separierten Optionen.

Hat man das Filesystem angelegt, kann man die Parameterwerte mit “tune2fs -l” prüfen. Testen sollte man auch, ob man nach einem Mounten /z.B. auf /mnt) den “fstrim”-Befehl erfolgreich ausführen kann (z.B. “fstrim -v /mnt“). Das sollte bei einem Raid-10-Array anstandslos funktionieren!

Fazit

Die Anlage eines md-Raid-10-Arrays mit Hilfe des mdadm-Befehls ist eigentlich simpel. Dennoch gibt es selbst bei einer Entscheidung für ein Raid-10-Array eine Vielzahl von Überlegungen, die im Vorfeld anzustellen sind. Ich habe versucht, einige Aspekte zu diskutieren. Letztlich wird es einem aber nicht erspart bleiben, im Vorfeld der Ausstattung eines Produktiv-Systems ein paar Tests zu fahren.

Der “bitmap”-Parameter ist durchaus performance-relevant; insbesondere ist bei Performancevergleichen mit iRST/
imsm-Raid-Containern zu beachten, ob auf dem Fake-Array eine Bitmap genutzt wird oder nicht.

Ein zentraler Parameter in dem ganzen Spiel ist aus meiner Sicht die Chunk-Size. Wir werden im nächsten Beitrag sehen, dass gerade im Random Read/Write-Bereich für Einzeljobs, die kleine Datenmengen schreiben, viel von dieser Größe abhängt.

Ich nehme hier mal vorweg, dass man hier zunächst die Extreme 32KiB und 512KiB für sein Zielszenario austesten sollte. Speziell für Fileserver sind große Chunk-Werte eher sinnvoll.

Ausblick

Im nächsten Artikel

SSD Raid Arrays unter Linux – IX – Chunk Size und Performance eines md-Raid-10-Arrays

präsentiere ich dann einige Ergebnisse von FIO-Tests für verschiedene Chunk-Size-Parameter unter Kernel 4.1.

Weitere Links

https://wiki.archlinux.org/index.php/RAID
https://wiki.ubuntuusers.de/Software-RAID/
https://wiki.mikejung.biz/Software_RAID
https://infogalactic.com/info/Non-standard_RAID_levels
http://forum.openmediavault.org/index.php/Thread/1333-Tuning-of-ext4-on-LVM-and-RAID/
http://en.linuxreviews.org/Mdadm

 

SSD Raid Arrays unter Linux – VII – problematische Aspekte von Raid-5-Arrays

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In früheren Artikeln dieser Serie

SSD Raid Arrays unter Linux – III – SW- Raid vs. Intel-iRST-Raid – Performance?
SSD Raid Arrays unter Linux – V – SW-Raid vs. iRST-Raid – Boot-Unterstützung?
SSD Raid Arrays unter Linux – VI – SW-Raid vs. iRST-Raid – Flexibilität?

hatte ich am Beispiel des Intel Z170 RST Controllers ausgeführt, dass es auf einem reinen Linux-System für Raid-Setups nicht notwendig ist, iRST-Technologie zu benutzen. Man betreibt den Intel-Onboard-Controller besser als einfachen SATA3-Controller und nicht als iRST-Raid-Controller. Die (SSD)-Raid-Arrays baut man sich dann lieber mit Hilfe von mdadm als Linux-SW-Raid-Arrays. Man gewinnt dadurch an Flexibilität, hat keine Performance-Nachteile und kann sogar – wenn nötig – eine Linux-OS vom Array booten.

Bei Einsatz eines SW-Raid-Arrays für SSDs ist unter Linux allerdings ein wenig Umsicht angebracht. U.a. stellt sich die Frage nach der Wahl der Raid-Variante. In meinem Fall für vier SSDs. Da liegen als grundsätzliche Alternativen etwa Raid-10- oder Raid-5-Arrays nahe.

In diesem Beitrag möchte ich zwei Argumente dafür anführen, dass die Wahl eines Raid-5-Arrays nicht unbedingt die beste Entscheidung ist – und zwar

  • trotz des größeren nutzbaren Netto-Platzes auf dem SSD-Raid-Array
  • und trotz der im sequentiellen Read-Bereich für große Datenpakete besseren Performance.

Die Argumentation hat mit der Resynchronisation des Raid-Arrays nach einem Plattenausfall, der relativ schlechten Performance von Random-Write-Prozessen für kleine Datenpakete und der Nichtausführbarkeit des “fstrim”-Befehls zu tun (Stand Nov. 2016).

Nachtrag 14.06.2017:
Von all diesen Punkten ist der letzte derjenige, der sich am einfachsten überprüfen lässt. Zum zweiten Punkt werde ich bei Gelegenheit Daten nachliefern. Bzgl. des ersten Punktes bin ich mir inzwischen nicht mehr sicher, ob ich wirklich alle Einflussfaktoren verstanden habe. Ich habe den Artikel heute abgeändert; er spiegelt nun meine aktuelle Einschätzung wieder.

Was sprach im HDD-Zeitalter gegen Raid-5- oder Raid-6-Arrays?

Raid-5-Arrays stellten schon zu HDD-Zeiten ein Problem dar. Zu nennen war/ist hier aus meiner Sicht an erster Stelle der erhebliche Zeitbedarf zur Rekonstruktion eines degraded Raid-5- oder Raid-6-Arrays.

Ein degradiertes Array kann z.B. aufgrund des Ausfall einer Platte wegen echten HD-Defekten oder aber wegen einer losen SATA-Verbindung (ist mir schon passiert!) zu Stande kommen. Eine Degradierung kann aber durch einen ernsten Fehlers des Linux-Systems ausgelöst werden. Ja, letzteres kommt ab und zu auch mal unter Linux vor! Probleme gibt es u.U. auch dann, wenn Inhalte von Schreib-Caches bei einer Systemstörung nicht rechtzeitig auf alle Platten geschrieben werden konnten. Die Raid-SW muss nach einer Systemstörung mit Reboot u.U. eine Rekonstruktion betroffener Arrays vorschlagen, um wieder auf die sichere Seite zu kommen.

Überlebenswichtige Paritätsinformation muss dann wieder hergestellt werden; fehlerhafte Informationen auf der betroffenen Platte sind neu zu synchronisieren.

Statt Rekonstruktion spricht man oft auch von einer “Resynchronisierung” oder “Rebuild” eines Raid-Arrays. Ich verwende diese Ausrücke nachfolgend synonym.

Extrem lange Resynchronisationszeiten für Raid-Arrays mit mehreren Terrabyte an Kapazität gab es vor allem dann, wenn man die Zeitanteile für Rekonstruktionsaufgaben im Raid-
Controller oder aber in der Linux-SW zugunsten der produktiven Performance operativer Prozesse (also für den laufenden Alltagsbetrieb) reduzieren musste. Die Rekonstruktion eines Raid-5-Arrays konnte dann schon mal etliche Stunden in Anspruch nehmen. In dieser Zeit lebte man immer mit der Gefahr weiterer Ausfälle.

Resynchronisation von SW-Raid-Arrays mit SSDs

Nun sind SSDs ja sehr viel rascher als konventionelle HDDs. Aus diesem Grund sagten einige Systemadministratoren in Internet-Foren sogar eine Renaissance für Raid-5-Arrays voraus. Der Optimismus ist in der Praxis tatsächlich nachvollziehbar: Setzt man die Priorität für eine Raid-5-Resynchronisierung auf Mittelwerte, so liegen die Zeiten für ein 1TB-Array deutlich unter einer Stunde. Das ist aus meiner Sicht OK. Hinzu kommt bei Raid-5 ja die bessere Netto-Plattenplatzkapazität für Nutzdaten im Vergleich zu einem Raid-10-System.

Welche Faktoren beeinflussen die Resynchronisation eines Raid-5-Arrays?

Es erscheint klar, dass nach einem Verlust von Redundanz ggf. zwei Dinge notwendig sind:

  • Wiederherstellen von Information auf der ausgefallenen Platte/Partition bei einem Timeout oder auf einer Ersatz-Platte/Partition nach Totalausfall.
  • Erneutes Herstellen der Redundanz durch Berechnung und Schreiben valider Parity-Informationen.

Verkompliziert wird der Rekonstruktionsvorgang, wenn das Raid-5 Array im degradierten Zustand aktiv weiter betrieben wird oder betrieben werden muss. Zudem stellt sich die Frage, was die Ursache des Redundanzverlustes war und ob die ausgefallene Platte (oder Partition) aufgrund eines Defekts ersetzt werden muss – oder aber, ob die ursprünglich vorhandene Platte aus irgendwelchen Gründen nur einen vorübergehenden Timeout hatte, und weiterverwendet werden kann. Ein solcher Timeout kann z.B. durch ein locker sitzendes SATA-Kabel verursacht worden sein. Letzteres ist mir tatsächlich passiert (s.u.)!

Fall 1: Notwendiger Ersatz einer Platte/Partition nach einem Defekt
Dieser Fall ist logisch am einfachsten zu überblicken. Daten und Paritity-Informationen müssen dann auf der neuen Platte/Partition vollständig neu geschrieben werden.

Dazu muss der gesamte (!) Datenvorrat sukzessive von den verbliebenen Platten ausgelesen werden, über die noch vorhandenen Parity-Daten ist die verlorengegangene Information über Berechnungen zu rekonstruieren, der fehlende Datenanteil ist auf die neue Platte/Partition zuschreiben, Redundanz ist durch Berechnen und Schreiben neuer Parity-Information auf die neue Platte/Partition herzustellen. Das ist ein aufwändiger Vorgang, der die alten, noch funktionierenden Platten des Arrays enorm stresst, CPU kostet und vor allem viele Schreibvorgänge auf der neuen Platte/Partiton nach sich zieht.

Der ganze Prozess ist deshalb zwangsläufig langsam – es ist klar, dass ein weiterer Betrieb des degradierten Arrays nur mit schlechter Performance möglich sein wird. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine weitere Platte im Rekonstruktionsprozess ausfällt, ist wegen der vielen Zugriffe nicht vernachlässigbar. Das Schreiben neuer Daten während eines weitergeführten Betriebs muss zudem in den Datentransfers zur neuen Platte und bei zugehörigen Paritätsberechnungen berücksichtigt werden. Das ist ein Grund dafür, die Array-Rekonstruktion möglichst ohne operative Belastung durchzuführen.

Fall 2: Die alte Platte/Partition kann weiter verwendet werden
Tja, da wird es dann komplizierter. Nehmen wir mal an, wir machen dem Array die ausgefallene Partition wieder zugänglich. In der Zwischenzeit lief/läuft aber der operative Betrieb auf dem Array weiter. Ein paar entscheidende Frage sind dann:

Woher soll das System eigentlich wissen, welche Parity-Information seit dem Ausfall noch verlässlich ist? Welche Sektoren und Blöcke
waren vom Ausfall betroffen? Welche Informaiton wurde neu hinzugefügt? Wo hat das zwischenzeitliche Überschreiben von Daten die ursprüngliche Parity-Information verändert?

Für die betroffenen Blöcke muss die Daten- und Parity-Information ja in jedem Fall neu berechnet und die nunmehr ungültige Information auf der wieder eingehängten Platte ersetzen!

Das Schreiben neuer Information kann aber irgendwo im Filesystem und damit auf der Platte erfolgt sein! Kennt das System die betroffenen Sektoren und Datenblöcke nicht, muss es deshalb im Rekonstruktionsprozess zur Sicherheit alle Daten des degradierten Arrays mit den veralteten Informationen auf der wieder eingegliederten Platte vergleichen und ggf. korrigieren!

Es wird klar: Man braucht für solche Situationen eine Art “Logging” der Adressen modifizierter Datenbereiche.

Bitmaps!
Linux SW-Raid (mittels mdadm) sieht für diesen Zweck das Schreiben sog. “Bitmaps” als Option für Raid-Arrays mit Datenredundanz vor. Genauere Informationen erhält man hier: https://raid.wiki.kernel.org/ index.php/ Write-intent_bitmap.

Ich zitiere den wichtigsten Punkt:

“When an array has a write-intent bitmap, a spindle (a device, often a hard drive) can be removed and re-added, then only blocks changes since the removal (as recorded in the bitmap) will be resynced. Therefore a write-intent bitmap reduces rebuild/recovery (md sync) time if:
  – the machine crashes (unclean shutdown)
  -one spindle is disconnected, then reconnected.
If one spindle fails and has to be replaced, a bitmap makes no difference.”

Für das Anschalten einer “Bitmap” und damit des gewünschten “Loggings” steht eine mdadm-Befehlsoption zur Verfügung (s. für die mdadm-Praxis einen späteren Artikel).

Haben Bitmaps auch Nachteile?
Leider muss ich die Frage mit Ja beantworten. Im Artikel
SSD Raid Arrays unter Linux – III – SW- Raid vs. Intel-iRST-Raid – Performance?
hatte ich ja verschiedene Performancedaten zum Vergleich eines reinen (über mdadm angelegten) Linux-SW-Raid-10-Arrays mit einem iRST-Raid-10-Array präsentiert. Dabei wurden erhebliche Unterschiede in der Performance von mdadm-SW-Arrays festgestellt, die mit unterschiedlichen Parametern angelegt wurden:

Die festgestellte, um bis zu 30% schlechtere sequentielle Write-Performance gehörte zu Linux-SW-Arrays, bei denen im operativen Betrieb eine Bitmap mit geschrieben wurde!

Bitmaps kosten also Schreib-Performance – manchmal in signifikanter Weise. Wie hoch die Einbußen genau sind, hängt jedoch auch davon ab, ob man die Bitmap-Daten auf das Array selbst oder auf eine Partition einer separaten Platte außerhalb des Arrays schreibt. Wir werden auf entsprechende Effekte und Zahlen in späteren Artikeln zurückkommen.

Raid-5 mit einem Onboard-Sata3-Controller – Intel Z170 Sunrise Point – und iRST-Technologie

Wie sieht es mit der Rekonstruktion eines Raid-5-Arrays nun eigentlich im schlimmsten Fall aus? Ich schildere hierzu mal eines meiner Erlebnisse:

In meiner grenzenlosen Naivität begann ich bei der Einrichtung meines SSD-Testsystem zunächst damit, unter Einsatz von iRST ein “Raid 5”-Array aufzubauen. Die SSDs hingen dabei am “Sunrise Point”-Controller im Z170-Chipsatz des Mainboards. Nun ist ja bekannt, dass eine gerade Anzahl von Platten und Raid-5 nicht sonderlich gut zueinander passen. Für einen ersten Anlauf mit einem Raid-5-Array sprachen aus meiner Sicht aber folgende Punkte:

  • Bessere Nutzung der (relativ teuren) Plattenkapazität als mit Raid-10.
  • Optimierung vieler (Fake-)
    Raid-Controller auf die Nutzung von Raid-5.
  • Schlechte Erfahrungen mit Raid-10 auf 3ware-Controllern bei Random I/O.

Meine vier 500 GB-SSDs [Samsung EVO 850] wurden also zu einem Linux-SW-Raid-Array zusammengeschaltet; dabei wurden ca. 460 GB pro Platte effektiv genutzt. Zum Aufsetzen nutzte ich die UEFI-BIOS-Bordmittel für den Intel-Controller (iRST). Die resultierende Performance war wirklich überzeugend:

Ein Read-Durchsatz im sequentiellen Bereich um die 1.45 GB/sec und hohe sequentielle Schreibraten im Bereich von 1.1 GB/sec ließen mich zunächst nicht an meinem Vorgehen zweifeln. Hinzu kam – im Vergleich zu Raid 10 – die relativ hohe verfügbare Plattenkapazität (> 1,36 GB bei 4 EVO 850 500GB SSDs).

Das Betriebssystem hatte ich im ersten Anlauf dummerweise auch auf dem Raid-Array selbst installiert. Das kostet, wie bereits in einem früheren Artikel festgestellt, ca. 10% an Performance. Ich habe die Entscheidung für Raid-5 dann aber aus einem anderen Grund als vordergründigen Performance-Einbußen bereut.

Resynchronisation des Raid-5-Systems nach Ausfall einer Platte

Es geschah nämlich etwas, dass normalerweise nicht passieren sollte. Ich hatte ein SATA-Verbindungskabel nicht richtig gesteckt. Als das PC-Gehäuse dann mal bewegt wurde, löste sich das Kabel aus der SSD – mit dem Effekt, dass das Array in einen “degraded” Zustand überging. Kein Problem, dachte ich. Genau für solche Situationen hat man ja ein RAID-System. Ich ließ das Array danach wieder aufbauen – der Resynchronisierungsprozess wurde mit der entsprechenden iRST-Funktionalität des Controllers im BIOS aufgesetzt; die eigentliche Ausführung erfolgte dann im neu gestarteten Linux-System unter Kontrolle der “md-raid”-Module des Kernels. Insgesamt nahm das nicht so viel Zeit in Anspruch wie aufgrund vieler Internet-Artikel befürchtet. Ich habe die Zeit nicht gemessen, aber es dauerte, wie gesagt, sicher deutlich weniger als 1 Stunde.

Was mich dann allerdings schockte, war ein Blick auf den SSD-Zustand mit Hilfe des Kommandos smartctl. Ist Smart im BIOS aktiviert, so ist eine Zustandsüberprüfung einzelner SSDs (zumindest auf meinem ASRock-Board) sowohl bei Einsatz eines nativen Linux-SW-Raids als auch bei Einsatz von iRST-Raid-Containern möglich. Die durch den Ausfall betroffene SSD lief bei mir als Device “/dev/sdd”. Die übrigen Devices des Raid-5-Arrays unter /dev/sda, /dev/sdb, /devsdc. Unter den vielen ausgewiesenen Smart-Daten stelle ich nachfolgend nur die Anzahl der “Total_LBAs_written” nach dem Resynchronisationsprozess dar:

Total_LBAs_Written
sda : 604127952
sdb : 846533123
sdc : 603302987
sdd: 3763859973 !!!

Vor dem Resynchronisationsprozess befand sich der Wert für “/dev/sdd” dagegen auf dem Niveau von “/dev/sdc” – also < 603302987 !!

Dass der Basiswert auf “/dev/sdb” so hoch war, lag übrigens daran, dass auf diesem Device noch andere Tests zur Performance einer einzelnen SDD durchgeführt worden waren.
Nach vielen, vielen weiteren Testläufen und ca. 12 (!) immer neuen initialen Raid-10-Synchronisationen über 100 GB, 200 GB oder 400 GB umfassende (Raid-10-) Arrays sieht das heute (Nov. 2016) so aus:

Total_LBAs_Written
sda: 979783261
sdb: 1211867704
sdc: 995650995
sdd: 4121599736

Es ist offensichtlich, dass die eine Resynchronisations-Aktion für die Wiederherstellung des ehemaligen Raid-5(!)-Arrays über die gesamte Platte “/dev/sdd” hinweg geschrieben hat (Daten- und Paritätsinformationen). Gleichzeitig ging der Parameter “Wear_Leveling_Count” der vom Ausfall betroffenen Platte um 1 Prozentpunkt nach unten. Die Belastung der (vorher ausgefallenen) Platte durch den einen Raid-5-
Resynchronisationsprozess ist also substanziell gewesen!

Wie lässt sich der extreme Befund zur Schreibbelastung erklären?

Im Artikel
SSD Raid Arrays unter Linux – III – SW- Raid vs. Intel-iRST-Raid – Performance?
hatten wir eine relativ gute Schreib-Performance des iRST-imsm-Raid-Arrays festgestellt. Eine spätere Überprüfung brachte dann die Ursache zu Tage:

Die iRST-BIOS-Funktionen legen die imsm-Raid-Container grundsätzlich ohne “Bitmap” an!

Nächste Frage: Welche Auswirkungen hat denn das Fehlen einer Bitmap auf eine Resynchronisation? Eine Antwort finden wir in folgendem Artikel:
https://raid.wiki.kernel.org/ index.php/ Replacing_a_ failed_drive

Dort wird erläutert, dass man im Falle von Timeouts versuchen kann und sollte, die ausgefallene Platte/Partition einem Raid-Array wieder zur Verfügung zu stellen. Ich zitiere aus dem Abschnitt “So you have no redundancy!”:

“Before attempting to replace a failed drive, you should ALWAYS attempt to restore redundancy before replacing a drive. If the array is redundant, a replace will just copy the dodgy drive, only stressing the old drives if it can’t read the dodgy drive. If the array is not redundant, then adding a new drive will stress the entire array as it has to recreate the new drive from the remaining old drives. This is true even for a mirror.”

Und:

“If you have set up a bitmap on your array, then even if you plan to replace the failed drive it is worth doing a re-add. With a bitmap, the raid will know which sectors need writing, and will recover the array for you. You can then consider doing a replace of the faulty drive.
mdmad /dev/mdN –re-add /dev/sdX1
mdadm /dev/mdN –add /dev/sdY1 –replace /dev/sdX1 –with /dev/sdY1
If possible, do not mount the partitions on the raid (or do it read-only) while the rebuild takes place, to avoid undue stress on the array.
If you do not have a bitmap then don’t re-add the old drive unless it was a (now fixed!) timeout problem and you don’t intend replacing the drive. Without a bitmap, then the raid will treat it like a new drive and do a total rebuild.“

Aha! Der letzte Satz erklärt mein Erlebnis und bedeutet gleichzeitig:

Wenn schon Raid-5, dann bitte mit Bitmap!

Es ist eigentlich bemerkenswert, dass Intel für iRST-Raid-5-Arrays nicht automatisch die Anlage von Bitmaps vorsieht. Intel weiß wohl, dass die Schreibraten dann nicht mehr so werbewirksam wären!

Wie ist das Schreiben für eine Raid-5-Rekonstruktion – ohne Bitmap – im Vergleich zu einer normalen Plattenbelastung zu werten?

Zum Vergleich: Eine in einem anderen System seit 2 Jahren als Betriebssystemplatte mit virtuellen Maschinen im Dauereinsatz, aber nicht in einem Raid-Verbund befindliche Samsung EVO 840 Pro weist heute einen Wert von

Total_LBAs_Written
sdx: 7968906003

auf. Das ist also immer noch weniger als das Doppelte dessen, was mich eine einzige (!) Resync-Aktion einer Raid-5-SSD gekostet hat!

Wie oft muss man eigentlich mit einem Resync-Prozess rechnen?

Der oben genannte Artikel wiesen ja darauf hin, dass Crashes und unsaubere Shutdowns einen Rebuild-Vorgang für ein Array auslösen können. Machen wir uns nichts vor: Zumindest auf Linux-Desktop-Systemen kommt sowas öfter vor, als man sich das wünscht. Erst vor kurzem hatte ich mal einen Hänger des KDE-Plasma-Desktops auf meinem Testsystem. Das System war danach nicht mehr bedienbar. Ich befürchtete schon das
Schlimmste; der Filesystemzustand war zum Absturzzeitpunkt zwar fehlerhaft, der Plattenzustand über das Raid-Array hinweg aber noch konsistent. Das Filesystem-Fehler konnte nach einem Reboot ohne ein Raid-Rebuild korrigiert werden.

Aber dafür gibt es nun leider überhaupt keine Garantie – schon gar nicht im Falle eines Absturzes während eines intensiven Datentransfers (lesend und schreibend) zu dem Raid-5-Array. Ein inkonsistenter Zustand der Platten im Raid-System nach einem ernsthaften Systemfehler ist aus meiner Sicht dann eher wahrscheinlich. Und anschließend würde – bei fehlender Bitmap – vermutlich das gesamte Raid-5-System resynchronisiert werden.

Wie schaut es mit Raid-10 aus?

Ich habe für Tests in den letzten Monaten mehrfach Raid-10-Arrays angelegt und auch rekonstruiert. Die Wiederherstellung eines Raid-10-Arrays nach einem Timeout einer Platte erwies sich hinsichtlich der durchgeführten Schreiboperationen regelmäßig als relativ harmlos. Die Resynchronisation eines degradierten Raid-10-Array wird zudem erheblich (!) schneller als die eines gleich großen Raid-5-Arrays abgeschlossen.

Ein Grund liegt auf der Hand – im Falle von Raid-10 ist keine Paritätsinformation zu berechnen oder zu schreiben. Ich vermute ferner, dass im Zuge der Rekonstruktion nach einem Timeout möglicherweise nicht alle Daten, sondern lediglich abweichende, bereits genutzte und während des Timeouts geänderte Blöcke durch Schreibvorgänge abgeglichen werden. Das Prüfen auf Identität von Datenblöcken auf zwei Laufwerken lässt sich bei reiner Spiegelung ja relativ einfach und vor allem schnell durchführen.

Reichweite des TRIM-Befehls?

Ein wichtiger weiterer Punkt, der im Zusammenhang mit SSDs zu beachten ist, ist das Thema der sog. “Write Amplification” (s. https://en.wikipedia.org/ wiki/ Write_amplification). Ein Flash-Speicher muss vor einem Neubeschreiben erst gelöscht werden; das führt u.U. zu Verschiebungen von Speicherinhalten und mehrfachen Schreiboperationen. Das reduziert potentiell sowohl die Performance als auch die Lebenszeit von SSDs.

Neben den reinen Nutzdaten müssen im Normalbetrieb auf allen Platten eines Raid 5/6-Verbunds Paritätsinformationen geschrieben werden. Write Amplification (durch Verlagerung von Blöcken auf SSDs) trägt also gerade im Fall von Paritäts-Raids zusätzlich zu einer stärkeren Abnutzung der SSDs bei – gerade in kleineren Arrays (< 8 disks). Theoretisch ist aber die Anzahl der insgesamt durchzuführenden Schreiboperationen auch bei Raid-10 nicht kleiner als bei Raid-5. Insofern erscheint mir das Thema der Write Amplification als solches allein noch kein Argument für oder gegen Raid-5 oder Raid-10 zu sein.

Eine Konsequenz zur Aufrechterhaltung der Performance und zur Vermeidung von Zeitverlust durch Löschungen besetzter Blöcke bzw. durch das Suchen nach freien Blöcken auf der Platte ist aber, dass die Information über freie Knoten mit dahinterliegenden direkt beschreibbaren Speicherelementen regelmäßig upgedated werden muss. Das Filesystem muss den SSD-Controller – gemeint ist hier der Controller auf der SSD und nicht der Fake-Raid-Controller – über freigewordene, ungenutzte Speicherelemente informieren. [Der SSD-Controller muss mit den im Rahmen des (S)ATA-Protokolls übertragenen Information natürlich auch was anfangen können; letzteres ist heute praktisch bei allen Marken-SSDs der Fall.]

Unter Linux erledigt das der “fstrim“-Befehl für gemountete Partitionen: einerseits erfolgt dadurch die Weitergabe der Information zu freien Knoten; andererseits werden dann von den SSD-Controllern sog. “discard”-Operationen für logisch freigegebene Speicherelemente durchführt. Fortschrittliche Controllers sehen zudem regelmäßige Lösch- und Speicher-Reorganisationsverfahren auf den SSDs vor (SSD garbadge collection).

Nun können Betriebssystem und Raid-(Controlling)-SW in intelligenter Weise dazu beizutragen, um “Write Amplification” zu reduzieren. Hierfür sind meist Zwischenpufferungen von Operationen nötig. Siehe hierzu die interessanten Diskussionen unter

http://www.webhostingtalk.com/ showthread.php?t=1457939

http://cesg.tamu.edu/ wp-content/ uploads/2012/02/ hotstorage13.pdf

Aber:
Das Thema der Speicher-Freigabe und -Reorganisation bleibt unabhängig von der Anzahl der Schreiboperationen für SSD-Raid-Arrays bestehen. Somit stellt sich für die Auswahl eines bestimmten Raid-Verfahrens für SSDs auch die Frage, ob der “fstrim”-Befehl für die verschiedenen Raid-Varianten eigentlich durch die potentiell betroffenen Layer

Linux-Filesystem (z.B. ext4) – Logical Volume einer LVM-Gruppe – Array über Raid-Partitionen – Partitionen verschiedener SSDs

zu den Controllern der beteiligten SSDs durchgereicht wird.

Leider ist das gerade für Raid-5- oder Raid-6-Arrays nicht der Fall – weder im Falle von mdadm-SW-Raid-Arrays noch im Falle des Einsatzes von iRST-Technologie und imsm-Raid-Containern. Ich erhalte bei entsprechenden Versuchen regelmäßig Meldungen, dass die zugrundeliegende Infrastruktur den fstrim-Befehl nicht unterstützen würde.

Auf meinen Test-Systemen konnte ich dagegen feststellen, dass der “fstrim”-Befehl an logische LVM-Volumes auf Raid-0-, Raid-1– und Raid-10-Arrays anstandslos durchgereicht wird – zumindest für ext4-Filesysteme. (Andere Filesysteme wie BTRFS habe ich nicht getestet; generell herrscht ja die begründete Meinung vor, dass EXT4 dem Verhalten von SSDs am besten entgegenkommt). Das gilt für reines SW-Raid unter mdadm wie auch für den Einsatz von iRST/imsm-Containern. (Diese Aussagen kann ich genau genommen im Moment nur für Opensuse-Leap 42.1/42.2 (Kernel 4.4) und ein Debian Jessie-Test-Systeme mit Kernel 4.7 treffen.)

D.h.: Potentielle Einschränkungen der Performance sind zumindest bei ext4-Filesystemen auf Raid-5-Arrays vorprogrammiert, wenn nicht der Plattencontroller selbst die Garbage Collection und Speicherreorganisation übernimmt. Tatsächlich konnte ich für ext4-Partitionen nach Durchführung von Tests, bei denen mehr als 40 % eines Filesystems beschrieben wurden, regelmäßig Performanceverbesserungen nach Absetzen eines fstrim-Befehls feststellen. Zwar keine weltbewegenden Änderungen, aber doch im 10% – 20%-Bereich. Einschränkungen der Performance tauchen mit dem Auffüllen einer Partition also mit hoher Wahrscheinlichkeit auf.

Nun wird und wurde von SSD-Herstellern und Kommentatoren im Internet oft angeführt, dass gerade größere SSDs, die für den professionellen Einsatz gedacht sind, selbst für eine regelmäßige Garbage Collection sorgen. Ich habe sowohl EVO 840 Pros und EVO 850 Pros mit 500GB Kapazität auf verschiedenen Systemen im Einsatz und setze ab und zu den fstrim-Befehl für eingerichtete Partitionen manuell ab. Die benötigten Zeiten zur Speicherreorganisation dauern für meine Gefühl relativ lange und betreffen manchmal etliche zig GB. Dabei werden offenbar auch echte Operationen auf den Disks durchgeführt. Das spricht aus meiner Sicht zumindest nicht für eine hohe Frequenz der automatischen Garbage Collection durch die SSD-Controller von Samsung. Das mag bei anderen SSDs jedoch anders sein.

Aus meiner Sicht ist es daher empfehlenswert, vor dem produktiven Einsatz sicherzustellen, dass der fstrim-Befehl im angestrebten Raid-Verbund funktioniert.

Warnung von Red Hat vor dem Einsatz von SW-Raid-5 mit SSDs

Wie eine Recherche im Internet ergab, warnt(e) Red Hat vor dem Einsatz u.a. von Raid-5 für SSDs; s.

https://access.redhat.com/ documentation/ en-US/Red_Hat_ Enterprise_Linux/ 6/html/ Storage_Administration_Guide/ ch-ssd.html

https://access.redhat.com/ documentation/ en-US/ Red_Hat_Enterprise_Linux/ 7/html/ Storage_Administration_Guide/ ch-ssd.html

Zitat:

Red Hat also warns that software RAID levels 1, 4, 5, and 6 are not recommended for use on SSDs. During the initialization stage of these RAID levels, some RAID management utilities (such as mdadm) write to all of the blocks on the storage device to ensure that checksums operate properly. This will cause the performance of the SSD to degrade quickly.

Schlechte Schreibperformance von Raid-5 bei kleinen Datenpaketen?

Das anderes Argument gegen Raid-5 war die meist schlechte Performance für Random I/O-Bereich und dies vor allem bei einer kleinen Größe der stückweise zu schreibenden Datenpakete. Write-Caches einiger echter HW-Raid-Controller haben hier geholfen; der Einsatz eines Schreibpuffers ist aber – wie oben erläutert – auch mit Risiken verbunden; Batteriepuffer waren für dedizierte HW-Raid-Controller daher meist obligatorisch.

Eine vergleichsweise schlechte Performance attestieren viele Admins Raid-5-Arrays auch heute noch – selbst bei Einsatz von SSDs. Ich bin hier etwas vorsichtiger. Weder Raid-10 noch Raid-5 sind bei kleinen Datenpaketgrößen besonders schnell. Die Performance hängt aber auch stark von anderen Faktoren ab; u.a. von Raid-Array-Parametern, wie der Chunk Size, aber auch dem Lastprofil.

Um das Thema Performance Raid-5 vs. Raid-10 von SW-Raids unter Linux kümmere ich mich deshalb genauer in einem der kommenden Artikel. Bzgl. konkreter Zahlen muss ich den Leser deshalb noch vertrösten.

Fazit

Legt man die obigen Erfahrungen zugrunde, so läuft die Entscheidung zwischen Raid-10 und Raid-5 im Normalbetrieb auf

  • eine Abwägung von Performance-Vor- und -Nachteilen,
  • eine Bewertung des effektiv verfügbaren Plattenplatzes
  • und eine Bewertung des SSD-Verschleißes, der im Fall der Resynchronisation eines Degraded Raid-5-Arrays auftritt,

hinaus.

Man sollte ein Raid-5-Array aus meiner Sicht jedenfalls nicht ohne eine Bitmap betreiben. Das führt aber wieder zu zusätzlichen Schreibprozessen. Selbst wenn man die auf eine Platte außerhalb des Raid-Arrays verlagert, muss man den Overhead und den resultierenden Durchsatz testen. Diese separate Platte muss hinreichend schnell ansprechbar sein und sollte nicht die native und hohe Schreibperformance eines Raid-5-Arrays ohne Bitmap beeinträchtigen. Sequentielle Schreibraten von > 1GB/sec sind auf einem Raid-5-Array mit Consumer-SSDs durchaus möglich; auch wenn die Menge der Bitmap-Daten im Vergleich zur Menge der Realdaten relativ klein sein sollte – die Schreibrate dafür muss zum Gesamtdurchsatz passen. Man würde vermuten, dass das besonders bei kleinen Datenpaketen problematisch wird.

Hinzu kommen potentielle Performance-Einbußen durch ein fehlendes Weiterreichen des fstrim-Befehls an Filesysteme auf Raid-5-Arrays. Das relativiert die Performance-Vorteile beim Lesen, die ein Raid-5-System gegenüber einem Raid-10-System für sequentielles Schreiben aufweist, etwas. Zudem gilt:

Wer aus irgendwelchen Gründen eine verbesserte Lese-Performance unter Raid 10 anstrebt, kann auch mal das Far-Layout oder ein Near/Far-Layout des Raid10-Arrays ausprobieren. Das Far-Layout geht allerdings zu Lasten der Schreibperformance – und dies besonderes für Random I/O. Aber Raid-5 ist gerade für häufigen Random I/O kleinerer zu schreibender Datenmengen noch weniger performant.

Insgesamt erschien/erscheint mir das Aufsetzen eines Raid-5-Arrays doch ein
ziemlicher Balanceakt zu sein. Ich befasse mich in den kommenden Artikeln daher zuerst mit Raid-10-Arrays.

Ausblick

Im nächsten Beitrag
SSD Raid Arrays unter Linux – VIII – Setup von Raid-10-Arrays mit mdadm
gehe ich endlich ein wenig mehr auf praktische Schritte ein. Diskutiert wird dort die Anlage und Parametrierung eines SW-Raid-10-Arrays mit Hilfe von mdadm.

Interessante Links

https://www.thomas-krenn.com/ de/wiki/ ATA_Trim

https://wiki.debian.org/ SSDOptimization

http://cesg.tamu.edu/ wp-content/ uploads/2012/02/ hotstorage13.pdf

https://en.wikipedia.org/ wiki/Write_amplification

http://www.webhostingtalk.com/ showthread.php?t=1457939

http://serverfault.com/questions/ 513909/ what-are-the-main-points-to-avoid-raid5-with-ssd

https://lowendtalk.com/ discussion/ 10000/ don-t-build-ssd-in-raid5

https://www.reddit.com/ r/sysadmin/ comments/ 3m9req/ how_would_you_configure_ an_mdadm_raid_5_w_ssds/? st=ivpbg325&sh=a09d50fd

http://researchweb.watson.ibm.com/ haifa/ conferences/ systor2011/ present/ session5_talk2_systor2011.pdf

http://superuser.com/ questions/ 461506/ intel-matrix-storage-manager-vs-linux-software-raid

Bzgl. der grundsätzlichen Einstellung von LVMs und des Absetzens von TRIM-Anweisungen im Kontext von LVM-Operationen siehe etwa:
http://blog.neutrino.es/ 2013/ howto-properly-activate-trim-for-your-ssd-on-linux-fstrim-lvm-and-dmcrypt/

Near/Far-Layout füe Linux SW-Raid-10
http://www.ilsistemista.net/ index.php/ linux-a-unix/ 35-linux-software-raid-10-layouts-performance-near-far-and-offset-benchmark-analysis.html?start=1

Bitmaps
http://www.tutorialspoint.com/ unix_commands/ mdadm.htm

 

SSD Raid Arrays unter Linux – VI – SW-Raid vs. iRST-Raid – Flexibilität?

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Wer für ein Desktop-System oder einen kleinen Server ein Raid-Array aufbauen will, kann dafür (nach einer Risiko-Analyse) ggf. den Onboard-SATA3-Controller des Mainboard-Chipsatzes nutzen. Auf Intel-Chipsätzen findet man dann Controller vor, die das Einrichten von Arrays mit Hilfe der iRST-Technologie erlauben. Darauf bin ich im früheren Beitrag

SSD Raid Arrays unter Linux – III – SW- Raid vs. Intel-iRST-Raid – Performance?

dieser Blog-Post-Serie bereits genauer eingegangen. Zusammen mit einem weiteren Artikel

SSD Raid Arrays unter Linux – V – SW-Raid vs. iRST-Raid – Bootunterstützung?

hatte ich dann erläutert, dass wir unter einem aktuellen Linux-Betriebssystem auch gut ohne Intels iRST-Technologie für die Konfiguration von Raid-Arrays auskommen können.

Der Einsatz von iRST ist auf einem reinen Linux-System weder aus Performance-Gründe noch aus Gründen einer hinreichenden Boot-Unterstützung erforderlich. iRST ändert ferner nichts am Faktum, das z.B. eine Z170-Sunrise-Point-Controller von Intel letztlich als kostengünstiger Fake-Raid-Controller betrieben wird.

In diesem Artikel möchte ich einen weiteren Aspekt gegen den Einsatz von iRST unter Linux ins Spiel bringen – nämlich eine begrenzte Flexibilität. Daneben gibt es aus meiner Sicht noch ein paar weitere erwähnenswerte Nachteile.

CLI vs. “komfortable” BIOS-Funktionen?

Linux-SW-Raids werden in der Regel mit Hilfe von mdadm-Kommandos über die Command Line eingerichtet, iRST-Arrays dagegen über EFI-BIOS-Funktionen oder aber eben auch über “mdadm”. Siehe: https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/white-papers/rst-linux-paper.pdf.

Einige Betriebsysteme bieten für die Einrichtung von Arrays auch grafische Hilfsfunktionen an – unter Opensuse etwa dem YaST-Partitioner. Die Status-Überwachung beider Arrays erfolgt im laufenden Betrieb mit Hilfe von mdadm (mit bestimmten Optionen) und einen Blick ins Verzeichnis “/proc/mdstat”; für imsm-Metadatencontainer gibt es auch das CLI-Kommando “mdmon”. Aber wer unbedingt grafisch arbeiten muss, der findet eine (begrenzte) mdadm-Unterstützung im Tool “webmin”.

Manch einer mag ja das Anlegen und ggf. die Rekonstruktion von Raid-Arrays über BIOS-Funktionalitäten für bequem halten. Ich sehe das nur begrenzt so. Ein Linux-Admin wird sich durch den Einsatz der Kommandozeile nicht abschrecken lassen. Zumal mdadm ein feingranulareres Arbeiten ermöglicht. Einen kleinen “Kurs” zu mdadm bietet übrigens die Seite https://www.tecmint.com/understanding-raid-setup-in-linux/.

Zudem hilft einem im laufenden Betrieb das BIOS gar nichts. Ferner ist eine Raid-Rekonstruktion über BIOS-Funktionen typischerweise langsamer als über ein laufendes Betriebssystem. Hier kommt das zum Tragen, was ich bereits im Artikel

herausgearbeitet hatte: Im Schadensfall (degradiertes Raid-Array) benötigt man zur Reparatur und zur laufenden Überwachung ein funktionierendes OS auf einer separaten Platte! Der Rückgriff auf BIOS-Funktionalitäten ist dann überflüssig. Das gilt für imsm-Raid-Arrays wie für mdadm-Raid-Arrays!

mdadm bietet für Linux-SW-Raid-Arrays mehr Möglichkeiten als iRST für imsm-Container

Bei Einsatz von iRST und imsm-Containern geht einem im Vergleich zu den Konfigurationsmöglichkeiten von nativen SW-Raid-Arrays über “mdadm” viel Flexibilität verloren. Das sollte man in der Praxis nicht unterschätzen:

So
lässt iRST nur genau 2 Raid-Arrays (Volumes) per Container zu – und der zweite anzulegende Verband kann dann in seiner Kapazität nicht mehr begrenzt werden. Er wird vielmehr den gesamten verbliebenen Platz der bereits einander zugeordneten Container Platten beanspruchen. Das ist eine massive Einschränkung.

“mdadm” unter Linux erlaubt dagegen die Erstellung beliebig vieler, in ihrer Größe definierbarer SW-Raid-Arrays über Partitionen gleicher oder unterschiedlicher SSDs hinweg. Dabei werden dann auch solche exotischen, aber performancesteigernden Dinge wie etwa ein Raid 10 über Partitionen von nur 2 SSDs möglich! Typ und Kapazität eines jeden einzelnen Arrays dürfen dabei im Rahmen der Größe der genutzten Rohpartitionen frei festgelegt werden.

Alle gängigen Typen an Raid-Konfigurationen werden dabei unterstützt. Gerade für Raid-10-Konfigurationen gibt es jedoch im Detail eine Vielzahl von verschiedenen Layout-Möglichkeiten für das Array, die es unter iRST nicht gibt. Diese Optionen erlauben einem eine weitere Optimierung für spezielle Einsatzszenarien. Siehe hierzu etwa:
http://www.ilsistemista.net/index.php/linux-a-unix/35-linux-software-raid-10-layouts-performance-near-far-and-offset-benchmark-analysis.html?start=1
Ich selbst komme darauf aber in einem weiteren Artikel zurück.

Potentielle Folgen von iRST-Einschränkungen bzgl. der Volume-Größe

Die fehlende Freiheit bzgl. der Größenbegrenzung des zweiten imsm-Volumes hat unter iRST bei bestimmten Raid Levels, besonders aber im Fall von großen Raid-5- oder Raid-6-Arrays erhebliche Auswirkungen für evtl. Wiederherstellungsverfahren:

Legt man zwangsweise ein zweites imsm-Volume mit großer Kapazität an, so wird das iRST-Raid-Volume bei irgendwelchen Problemen mit darauf aufgesetzten Filesystemen immer als Ganzes einer Resynchronisation unterworfen. Das passiert z.B. nach unsauberen Shutdowns, bei denen Filesysteme des Raid-Verbandes nicht mehr abschließend mit Caches synchronisiert werden konnten. Fällt gar eine Platte aus, wird der gesamte Container mit beiden Arrays rekonstruiert.

Das kostet bei allen Raid-Formen erhebliche Zeit – vor allem aber für Raid 5/6-Arrays. Die SSD-Geschwindigkeit hilft hier zwar, aber bei großen Arrays mit > 1 TB Kapazität zehrt das im Falle von Raid 5 trotzdem an den Nerven. Zudem wird im Falle von RAID 5 dabei der Verschleiß der eingebundenen SSDs erheblich beschleunigt. Mehr dazu im nächsten Beitrag.

Flexible Größenänderung angelegter Arrays?

Die Größe eines definierten iRST-Raid-Volumes kann im Nachhinein nach meiner Erfahrung weder durch Partitionsausweitung noch durch das Hinzufügen von weiteren Partitionen verändert werden. Bei einem reinen SW-Raid-Array unter Linux ist beides aber über ein paar Zwischenschritte möglich (s. hierzu die mdadm-Literatur; u.a. https://raid.wiki.kernel.org/index.php/Growing und https://www.howtoforge.com/how-to-resize-raid-partitions-shrink-and-grow-software-raid).

Für einen imsm-Container ist mir das bislang mit Linux-Bordmitteln dagegen nicht gelungen. So war es mir u.a. nicht möglich, auf Platten, die bereits einem iRTS-Verband im “imsm”-Format zugeordnet waren, neue Partitionen anzulegen, die ich einem bereits definierten imsm-Raid-5-Volume hätte zuordnen können.

Flexibilität bei Ausfall des Controllers?

Gerade beim Aufbau eines Server-Systems muss man sich fragen: Was geschieht eigentlich, wenn der Controller selbst ausfällt? Ein solcher Ausfall kann, muss aber nicht zum Austausch des gesamten Mainboards führen. Das ist in der Regel immer noch sehr viel billiger
als ein HW_Raid-Controller. Eine Frage ist aber: Kann man in der Zwischenzeit die Raid-Platten zur Not auch an ein anderes Linux-System anschließen und die wichtigsten Daten auf andere System transferieren? Unter der Voraussetzung, dass das Array überhaupt noch lauffähig ist?

Nun, da bin ich im Fall von imsm-Containern unsicher. Im schlimmsten Fall benötigt man ein neues Mainboard-Board mit iRST-Funktionalität, um wieder an die Daten des Arrays zu kommen. Andererseits unterstützt mdadm ja auch imsm-Container … Ich weiß es schlicht nicht – und habe ein solches Ausfallszenario mit iRST/imsm-Containern bislang nicht getestet. Was man aber mit Sicherheit sagen kann, ist Folgendes :

Im Falle eines Linux-SW-Raid-Arrays kann man ein funktionstüchtiges Array auch auf einem anderen Linux-System zum Laufen bringen, wenn die Platten denn physikalisch an einen dortigen Controller angeschlossen werden können. Man hängt die SSD-Platten an den dortigen SATA-Controller,l bootet, aktiviert die md-Raid Module und nutzt ein Plattenverwaltungssystem seiner Wahl – und schon hat man – ggf. nach einer Rekonstruktion des Arrays – wieder Zugriff auf seine Daten.

Zwischenfazit

Ich finde, allein die mangelnde Flexibilität von iRST bei der Definition mehrerer Raid-Arrays mit selbst festgelegter Größe ist ein guter Grund, auf den Einsatz von iRST unter Linux zu verzichten.

Weitere Gründe, die gegen den Einsatz des iRST auf reinen Linux-Systemen sprechen, findet ihr übrigens hier:
http://superuser.com/questions/461506/intel-matrix-storage-manager-vs-linux-software-raid
Siehe dort auch die interessante Diskussion des Themas.

Verbleiben eigentlich noch Gründe für den Einsatz des iRST?

Mir fallen dazu nur noch folgende Punkte ein:

  • Die Restaurierung bzw. Resynchronisation eines defekten Raid-Verbunds mit einer Ersatz-SSD lässt sich zur Not auch unabhängig vom Betriebssystem – nämlich über BIOS-Funktionen – durchführen. Dies ist im Besonderen dann zu bedenken, wenn man das Betriebssystem selbst auf einem Raid-Array bzw. imsm-Volume und/oder die EFI-Boot-Partition in einem imsm-Container installiert hat.
  • Auf Dual-Boot-Systemen (mit Windows) bringt das Intel-spezifische “imsm”-Format Vorteile. Der Raid-Verbund selbst und entsprechend formatierte Partitionen können dann auch direkt unter MS Windows angesprochen werden.

Der letzte Punkt kann auf Dual-Boot-Systemen tatsächlich einige Bedeutung haben. Die eigentliche Frage ist hier jedoch: Braucht man zwingend eine Dual-Boot-System für den Einsatz von MS Windows? Nun, das wird meist wohl von Kundenwünschen abhängen. Für mich selbst gilt jedenfalls:

Wenn man als Linuxer schon in die Untiefen von MS Windows-Systemen abtauschen muss, dann über Virtualisierung. Etwa über VMware (wenn man unbedingt eine wenig 3D-Effekte unter MS Win sehen will), Virtualbox oder KVM. Und bzgl. Performance des Zugriffs auf virtualisierte “Platten” (bzw. entsprechende Container-Files) gilt dann:

Man kann das virtualisierte Windows ja gerade auf einer Partition eines Linux-SW-Raid-Arrays zum Laufen bringen, wenn man die Disk-Perfromance in die Höhe treiben muss. Das klappt nach meiner Erfahrung sehr gut! Ein Win 7-System, das unter VMware läuft, weist einen Leistungsindex mit 7.9 Punkten von 7.9 möglichen Punkten für seine virtualisierte Platte aus. Diese “Platte” besteht aus einem “vdmk”-Container-File, das auf einer ext4-Partition eines Linux-SW-Raid-Arrays mit SSDs untergebracht wurde. Die ext4-“Partition” wurde dabei auf einem LVM-Volume angelegt. Einen noch besseren Durchsatz würde ich für einen direkten Durchgriff auf eine NTFS-Partition auf dem Array erwarten.

Ausblick

Unsere Artikelserie zu SSD-Raid-Arrays hat bislang ergeben, dass wir uns für kleinere
Linux-Systeme auf SW-Raid (unter mdadm) konzentrieren sollten. Will man einen Onboard-Controller von Intel benutzen, so kann und sollte man auf den Einsatz von iRST gut verzichten.

Eine weitere wichtige Frage ist nun: Welche Raid-Variante ist für SSD-Arrays sinnvoll? Nach meiner Einschätzung ist das vor allem eine Frage des Geldbeutels. Überraschenderweise spricht das ggf. gegen den Einsatz von Raid-5- oder Raid-6-Arrays. Das ist Gegenstand des nächsten Artikels dieser Serie:

SSD Raid Arrays unter Linux – VII – problematische Aspekte von Raid-5-Arrays

 

SSD Raid Arrays unter Linux – V – SW-Raid vs. iRST-Raid – Boot-Unterstützung?

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Im letzten Beitrag dieser Serie zu SSD-Raid-Arrays unter Linux

SSD Raid Arrays unter Linux – IV – OS und Daten auf demselben Raid-Array?

hatte ich mich mit der Frage auseinandergesetzt, ob wir eigentlich das Betriebssystem [OS] nicht auch auf einem Raid-Array unterbringen können oder sollten, das für hochperformante Datenzugriffe von Anwendungen vorgesehen ist. Ich habe dafür zwar wenig übrig; aber dennoch kann es Umstände geben, in denen man das Betriebssystem in einem (ggf. separaten) Raid-Array installieren muss oder will.

In einer solchen Situation könnte man größere Sorgen bzgl. der Boot-Unterstützung bekommen. Im Besonderen, wenn man vor hat, Linux-SW-Raids zu nutzen. Das Thema beim Booten ist ja immer:

Wer oder was findet eigentlich das Kernel-Image und eine ggf. notwendige Informationen zu einem initramfs, wenn das alles auf Partitionen eines Raid-Arrays liegt? Ggf. auch noch unter einem LVM-Layer versteckt? Der Kernel jedenfalls nicht – der ist zu diesem Zeitpunkt ja noch nicht geladen. Und wenn er geladen wäre, müsste er mit dem jeweiligen Raid-Verbund umgehen können. Dazu braucht er Treiber, sprich Kernel-Module, die er aus dem initramfs auslesen müsste. Wer aber stellt im Bootvorgang die “initram” auf Basis von File-Informationen bereit, die selbst auf einem Raid-Array liegen?

Braucht es da nicht schon irgendwelche magischen Kenntnisse des BIOS über das Raid-Layout? Und im Fall von Intel-Sata-Controllern, die in Mainboard-Chipsätze integriert sind: Braucht man dann nicht zwingend iRST-Technologie ? Und einen Layer in einem System mit (U)EFI-BIOS, der das Raid-Layout der Platten am Intel-Raid-Controller kennt?

Das sind berechtige Fragen. Evtl. Sorgen sind jedoch unbegründet.

Grub2 ist intelligent – dieser Bootmanager kann mit Linux-SW-Raid-Arrays, dortigen Partitionen und auch LVM umgehen

Grub2 ist in den letzten Jahren so ertüchtigt worden, dass dieser Boot-Manager nicht nur mit verschiedenen Partionierungs-und Filesystem-Schemata, sondern auch mit verschiedenen Varianten von Linux-SW-Raids und auch mit LVM/LVM2 umgehen kann. Dass es dafür letztlich kein Hexenwerk benötigt, mag man daran erkennen, dass unter Linux sowohl Raid- als auch LVM-Informationen im Superblock der beteiligten Partitionen auf den einzelnen miteinander verkoppelten Platten bzw. Partitionen hinterlegt werden.

Auf Basis der dortigen Imformationen kann Grub2 die angelegte (komplexe und sich ggf. über mehrere Platten erstreckende Filesystemstruktur aufdröseln, von dort ein Kernel-Image laden und ein initramfs bereitstellen.

Ferner ist Grub2 ist in seiner EFI-Variante natürlich auch in der Lage, Boot-Informationen in EFI-Partitionen zu lesen bzw. über den Grub-Installer Boot-Informationen in EFI-Partitionen zu schreiben und auch den EFI-Bootmanager mit Informationen zur Boot-Reihenfolge und mit entsprechenden Zieladressen zu versorgen.

https://www.gnu.org/software/grub/manual/grub.html
https://wiki.gentoo.org/wiki/GRUB2/AdvancedStorage

Ist der Einsatz von iRST auf einem UEFI-System notwendig, damit Grub2 ein Linux-System aus einer Partition eines Linux-SW-Raid-Arrays oder eines imsm-Raid-Arrays booten kann?

Die Antwort ist: Mit Grub2 kann man Linux-Betriebsysteme auf einem UEFI-System von beiden Raid-Varianten (SW-Raid und von iRST-imsm-Volumes) booten. Der Einsatz von Intels iRST-Technologie ist jedenfalls nicht erforderlich! Mann kann auch von Linux-SW-Arrays booten!

Das Aufsetzen des Betriebssystems auf einem reinen Linux-SW-Raid-Array ist nur geringfügig komplizierter als auf einem im BIOS
vorkonfigurierten iRST-Array. Allerdings sind ein paar Regeln zu beachten:

  1. Die efi-boot-Partition selbst darf nicht Bestandteil einer Linux-LVM– oder mdadm-Raid-Gruppe an Partitionen werden. Das erscheint logisch: Grub2 oder Linux müssen schon da sein, um LVM oder mdadm-Raids auswerten zu können. Das Grub2-Modul “grubx64.efi” wird ja aber gerade auf der EFI-Partition für den EFI-Bootmanager hinterlegt und von dort geladen.
  2. Die efi-Boot-Partition darf nicht Bestandteil des reinen SW-Raid-Arrays sein. Es gilt eine analoge Begründung wie beim vorherigen Punkt.
  3. Eine “initram” mit einem initramfs mit den notwendigen Treibermodulen für den Kernel ist erforderlich. Aber das wird von den meisten Linux-Installern sowieso im Zuge der Erstinstallation ordentlich prepariert.

Das bedeutet in der Praxis, dass ihr die EFI-Partition entweder auf eine separate SSD oder HDD Platte legen müsst, die nicht am vorgesehenen SSD-Raid-Verbund beteiligt ist. Oder aber: Ihr legt auf jeder der SSD-Platten, deren größere Roh-Partitionen man später in SW-Raid-Arrays unter mdadm einbinden will, zunächst eine kleine, ca. 170 MB umfassende Partition an; eine dieser Partitionen wird im Installationsvorgang bereits mit FAT formatiert und erhält dann die richtigen EFI-Einträge udn EFI-Module. Die anderen 170MB-Partitionen werden später per “”dd”-Kommando als Clones dieser ersten EFI-Partition mit Inhalten versorgt.

Keine dieser kleinen EFI-Partitionen auf den SSDs wird aber an den anzulegenden SW-Raid-Arrays beteiligt.

Grundsätzliches Vorgehen im Zuge der OS-Installation am Beispiel Opensuse

Auf einem laufenden Linux-System legt man SW-Raid-Arrays mittels mdadm-Befehlen auf der Kommandozeile an. Es lohnt sich jedenfalls, sich mit diesem Linux Raid-Tool und seinen Optionen auseinanderzusetzen. Wir gehen auf mdadm ganz konkret in einem späteren Blog-Beitrag ein. Eine etwas weniger mächtige Möglichkeit zur Anlage von SW-Raid-Arrays ergibt sich unter Opensuse aber z.B. auch der über den “YaST-Partitioner”; der kommt ja auch während einer Standardinstallation um Tragen.

Man beginnt bei der Installation zunächst mit der Anlage einer EFI-System-Partition [ESP] – z.B. unter “/dev/sda1”. Diese wird dann mit FAT formatiert. Unter Opensuse bietet der Installer über YaST-Module aber auch

  • eine grafisch unterstützte Konfiguration von mdadm-SW-Raid-Arrays aus verschiedenen unformatierten (Raid-)Roh-Partitionen unterschiedlicher HDDs/SSDs an,
  • und eine automatische Konfiguration des Grub2-Bootloaders unter Einbeziehung einer EFI-Partition an.

Partitionierungs- und mdadm-Befehle können während der Installation aber auch an einer Konsole (Wechsel etwa mit Ctrl-Alt-F2) abgesetzt werden. Das ist zu einer genaueren Parametrierung als mit YaST ggf. nötig. Der YaST-Partitioner bietet nämlich leider nicht alle für die Performance relevanten Raid-Konfigurationsmöglichkeiten als Optionen an! Eine Erstellung der Raid-Arrays über mdadm-befehle empfiehlt sich also unmittelbar vor Verwendung des YaST-Partitioners.

Der YaST-Partitioner erkennt dann die bereitgestellten Raid-Arrays und erlaubt deren weitere Bearbeitung.

Angelegte mdadm-SW-Arrays werden dann entweder direkt für bestimmte Filesysteme formatiert oder aber über LVM in Logical Volumes unterteilt und dann formatiert; geeignete Partitionen werden im Zuge der Plattenkonfiguration dann dem “/”- wie dem “/boot”-Verzeichnis zugeordnet und dort gemountet.

Die als EFI-Device mit Modulen auszustattende Partition (z.B. unter /dev/sda1) wird im weiteren Verlauf des Installationsprozesses ausgewählt, mit FAT formatiert und vom
Installer in den UEFI-Boot-Prozess eingebunden; der Grub2-Installer in seiner EFI-Variante schreibt die dafür notwendigen Infos in die ausgewählte EFI-Partition und der System-Installer nordet per “efibootmgr”-Kommando hinter den Kulissen auch das UEFI-Bootsystem richtig ein.

Installer wie YaST sorgen zudem dafür, dass das “initramfs” mit den notwendigen Kernelmodulen für den Umgang mit Raid-Arrays ausgestattet wird.

Warum mehrere EFI-Partitionen?

Der Grund, warum man letztlich mehrere EFI-Partitionen (je eine auf jeder SSD) erzeugt, ist eine Absicherung gegenüber einem Plattenausfall. Man kopiert dazu nach einer Installation die Inhalte der auf “/dev/sda1” angelegten EFI-Partition mittels des Kommandos “dd” auf die vorbereiteten, noch leeren, aber für EFI vorgesehenen 170MB-Partitionen der anderen am Array beteiligten SSDs.

Die meisten UEFI-Systeme erkennen selbständig gültige ESPs; fällt die erste davon aus, wird automatisch die nächste gültige im Bootvorgang herangezogen. Man kann die Reihenfolge der für den Bootvorgang heranzuziehenden ESPs aber auch gezielt vorgeben.

Hinweise darauf, wie man insgesamt zu verfahren hat, liefert etwa der folgende Artikel, der sich von Ubuntu auf andere Linux-Varianten verallgemeinern lässt:
http://askubuntu.com/questions/660023/how-to-install-ubuntu-14-04-64-bit-with-a-dual-boot-raid-1-partition-on-an-uefi

Ein vorkonfiguriertes iRST-Container-Volume würde das Leben bzgl. der EFI-Partition lediglich etwas vereinfachen: Da der iRST-Controller für UEFI-Systeme Boot-Unterstützung (Zwischenschicht) liefert, wird die EFI-Boot-Partition direkt als unabhängige Partition eines definierten “imsm”-Containers vorbereitet.

Hat man alles richtig gemacht, wird man feststellen, dass das EFI/Grub2-Gespann Linux-Betriebssysteme sowohl von reinen Linux-SW-Raid-Arrays als auch von iRST-Arrays bootet. Man hat das vor allem der Fähigkeit von Grub 2 zu verdanken, Files aus Raid- und LVM-Konfigurationen auszulesen.

Wir können somit Linux-Betriebssysteme und auch andere Daten auf einem Linux-SW-Raid-System bereitstellen – aber wir müssen das nicht unbedingt. Wer es dennoch tun will, kann trotzdem regulär booten!

Eine Fallgrube

Allerdings ist das “iRST/efi/grub2”-Geschäft manchmal auch mit unerwarteten Falltüren versehen:

Irrtümliches Löschen einer gültig beschriebenen EFI-Partition
Ein spezieller Fall ist der, dass man im Zuge einer OS-Installation auf einem neuen Raid-Array die Grub-Informationen nicht auf eine spezifische, neu angelegte EFI-Partition hat schreiben lassen – sondern den Grub-Eintrag auf eine bereits existierenden EFI-Partition (auf einer anderen Platte) anlegen ließ. Löscht man später wiederum irrtümlich diese ursprüngliche EFI-Partition, so geht im Bootprozess natürlich gar nichts mehr.

Mir ist das z.B. passiert, als ich das erste Mal mit einer OS-Installation auf einem SW-Raid experimentierte. Vorher lag die bis dahin gültige EFI-Partition auf einer separaten Platte und blöderweiser habe ich diese vorhandene Partition während der Installation anstelle der neu formatierten EFI-Partitionen auf den SSDs ausgewählt. Später habe ich diese Partition aber irrtümlich gelöscht, da ich ja Partitionen auf den SSDs für EFI vorgesehen hatte – aber nicht mit GRUB-Einträgen versehen hatte. Hat man dann keine weitere Partition mit einem gültigen grub-Eintrag mehr, so führt das ins Boot-Nirwana.

Ähnliches kann auch passieren, wenn parallel auch noch iRST-Container mit einer EFI-Partition vorhanden sind. Hat man die während der Installation eines OS auf neuen SW-Raid-Arrays ausgewählt, und vernichtet anschließend das iRST-Array, so kann man auch nicht mehr booten. Selbst wenn man auf anderen Platten noch gültige Grub-Boot-Einträge haben
sollte, so muss man den SATA-Controller im BIOS zunächst auf den AHCI-Modus umstellen (Storage-Einstellungen), um diese alten gültigen EFI-Boot-Einträge überhaupt finden zu können. Hier wird die iRST-Zwischenschicht offenbar auch mal zum Verhängnis. Ein Grund mehr, von vornherein nicht auf den iRST-Mechanismus zurückzugreifen.

Also: Bevor man Experimente mit der Installation eines Linux OS auf einem iRST-Raid oder auf einem SW-Raid-Array macht, vorab einen gültigen Grub-Boot-Eintrag für ein bereits existierendes Linux OS auf einer anderen Platte erstellen lassen.

Ich lege ach meinen ersten schlechten Erfahrungen vor solchen Experimenten auf irgendeiner unbeteiligten Platte meines Systems immer ein kleines Not-Linux an, dass ich zur Not von einer zugehörigen separaten EFI-Partition booten kann. Diese EFI-Partition rühre ich dann nie mehr ohne Not an. So kommt man wenigstens immer und auch nach Auflösung der experimentell angelegten RAID-Arrays oder Löschung zugehöriger EFI-Partitionen wieder in ein gültiges System. Hinweis: Manchmal muss dazu im EFI-Bootmanager (sprich im UEFI-BIOS die eingetragene Bootreihenfolge ändern).

Ein paar zusammenfassende Ratschläge

Folgende Ratschläge erscheinen mir deshalb bedenkenswert:

  • OS-Anlage – wenn möglich – am besten auf einer separaten SSD außerhalb des Raid-Systems.
  • Wenn ihr dennoch unbedingt einen Raid-Verbund mit OS auf dem Raid betreibt, so sorgt dafür, dass ihr ein zweites (!) boot- und lauffähiges OS auf einer separaten Platte (außerhalb des Raid-Verbunds) verfügbar habt. Legt auf dieser Platte (außerhalb des Raids) ebenfalls eine funktionierende EFI-Partition an. Schreibt dann vom sekundären OS einen funktionierenden Bootloader-Eintrag in genau diese EFI-Partition.
    Kurz gesagt: Sorgt dafür, dass ihr eine gültige EFI-Partition mit gültigen Grub-Einträgen auch außerhalb der am Raid-Array beteiligten Platten habt. Definiert dann die Boot-Prioritäten im BIOS. Viele UEFI-BIOS suchen bei Problemen automatisch die nächste valide efi-Partition. Ansonsten sollte man immer ein gutes Linux-Live-System parat haben.
  • Vergesst nicht, dass gerade bei SSDs der zunehmende gleichmäßige Verschleiß der Platten im Raid-Verbund die Wahrscheinlichkeit eines parallelen und zeitlich kurz hintereinander getakteten Ausfalls mehrerer Platten erhöht. Macht also von allem regelmäßig Backups. Das erspart einem im Ernstfall viel Ärger.

Ausblick

Ich habe versucht zu verdeutlichen, dass wir mit Grub2 auch auf UEFI-Systemen Linux-Systeme booten können, die auf einem Linux-SW-Raid-Array eingerichtet wurden. Weder aus Gründen der Boot-Unterstützung, noch aus Gründen der Performance (s. die früheren Artikel) ist also ein Rückgriff auf iRST-Technologie erforderlich.

Linux-SW-Raids bieten aber auch noch andere Vorteile – nämlich u.a. eine weitgehenden Flexibilität bei der Anlage verschiedener Raid-Arrays. Das ist das Thema des nächsten Beitrags dieser Serie:

SSD Raid Arrays unter Linux – VI – SW-Raid vs. iRST-Raid – Flexibilität?